JCVI-Syn3.0 细胞放大约 15,000 倍。(图片来源：加州大学圣地亚哥分校国家成像和显微镜研究中心 Tom Deerinck 和 Mark Ellisman) 一个生物学家团队合成了能够编码活体、可复制细胞的最小基因组，但这一发现揭示了我们对生命基本构成单元仍知之甚少。遗传学家 J. Craig Venter 和他在 Venter 研究所的同事们，从牛痘菌 (Mycoplasma mycoides) 的基因组开始，这是迄今为止科学家们已知的，具有最小基因组的能够自我复制的细菌。他们将一种称为转座子的外源遗传序列插入一个基因中，使其失效，以便研究人员能够观察其影响。如果细胞在没有受损基因的情况下仍能正常运作，研究人员就将其标记为非必需基因，并从基因组中删除。经过四年的努力，研究人员将牛痘菌的基因组精简到了最低限度：473 个基因，约占原始细菌基因组的一半。他们称之为 JCVI-Syn3.0，并于周四在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。
地图上的空白
尽管如此，极简基因组中仍有 31% 的部分是未知的。Venter 和他的同事们表示，一些未知基因在细菌基因组中的位置与编码其他生物体中普遍存在的蛋白质的基因相似，但科学家们不确定这些蛋白质在复杂的生命过程中扮演什么角色。对科学家们来说，这提醒了我们对基础生物学仍然知之甚少。“我认为，知道我们缺少三分之一的基本知识，这是一个非常关键的发现，即使这个生物体没有其他用途，”Venter 说。“我认为，即使我们不了解三分之一基因的功能，我们也证明了即使是最简单的生物，生命也是多么复杂。”据研究人员称，这是一个重要而令人警醒的教训。
“你可以看到，我们目前只能理解最基本细胞的三分之二。我们在理解人类基因组方面可能只处于 1% 的水平，这就是为什么我认为现在谈论编辑人类基因组还为时过早，直到我们了解更多，”Venter 警告说。这一差距也解释了为什么这个极简基因组实际上比许多科学家预测的要大。自 1995 年以来，科学家们估计，能够编码生命生长和复制的最小基因组将包含 256 到 300 个左右的基因。
“极简”是一个相对的说法
Venter 和他的团队强调，Syn3.0 是一个极简细胞，而不是那个极简细胞。他们表示，对于具有不同新陈代谢类型、生活在不同环境中的生物体来说，将会有许多不同的极简基因组。例如，一种依赖甲烷代谢的微生物，其极简基因组将与依赖光合作用的微生物不同。“一个重要的发现是，每个基因组都是特定于环境的，它完全取决于其可用的环境化学物质，”Venter 说。例如，细菌泌尿生殖支原体 (Mycoplasma genitalium) 以两种糖（果糖和葡萄糖）为生。它可以代谢其中任何一种，但细胞使用不同的化学转运蛋白来摄取每种糖。在充满美味葡萄糖的环境中，编码果糖转运蛋白的基因可能是可有可无的，但改变环境，果糖转运蛋白就会突然变得对生存至关重要。
JCVI-Syn3.0 (图片来源：加州大学圣地亚哥分校国家成像和显微镜研究中心 Tom Deerinck 和 Mark Ellisman) “你不能只凭基因做事情，而不了解环境中的成分。在大多数情况下，我们仍然不知道环境中的所有成分，”Venter 研究所的论文合著者 Clyde Hutchinson 说。据审查该论文的其他科学家称，JCVI-Syn3.0 在其当前形式下可能无法在实验室外生存。“JCVI-syn3.0 在生长和形态方面表现出明显的缺陷，这表明这样的细胞在实验室外生存的可能性极小，”DOE 联合基因组研究所 DNA 合成和组装负责人 Samuel Deutsch 说。“因此，与 JCVI-syn3.0 相关的任何潜在风险都是最小的。”
这是科学的起点
那么，极简基因组能做什么？研究人员希望它能成为一个教学和研究工具，用于了解生命的早期进化。Venter 表示，该研究所计划很快将该基因组提供给其他研究人员，并且正在考虑举办一项竞赛，每年为向 Syn3.0 添加的最重要的新进化步骤颁发奖项。他们还关注工业应用，例如构建具有用于生产药物、生物燃料和其他化学产品的基因组的细胞。目前，生物学家想要通过基因工程改造细菌来生产这些有用的化学品，需要将一个基因添加到现有细菌中，然后破坏其他基因以重定向细胞的能量来生产所需的化学品。这是一个漫长的试错过程，才能创建一个能够生产足够数量的正确化学品的有机体。当然，根据该领域的其他人的说法，这种基因工程将是一个长期的挑战。“并非这个新的极简基因组会立即带来基础性的见解或工业应用，”加州大学洛杉矶分校化学与生物化学助理教授 Sriram Kosuri 说。“尽管如此，他们创造了一个能够自我复制的生物有机体，它可能比继续研究天然系统更能成为实现此类科学和工程目标的起点。”与此同时，该团队正专注于弄清楚每个神秘基因的实际作用，以及它们是如何协同工作的。“重要的是要认识到，不存在一个细胞，我们了解其所有基因的功能，而且我们也不了解这个极简细胞的所有基因功能，但我们比了解任何其他细胞都更接近，”Hutchinson 说。“因此，我们对这个特定的极简细胞的长期设想是了解所有基因的功能。”该领域的其他人对填补基因知识地图上的空白的机会感到兴奋。“这项工作的一个伟大发现，也是一大警示是，它使他们能够发现，即使是关于基因组的核心部分，我们也知之甚少，”加州大学伯克利分校合成生物学研究所所长 Adam Arkin 说。“这在科学上令人兴奋。这项工作可能是应用的一个绝佳平台，但它也提供了一个反思我们如何才能更好地理解生命的时机。”
