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7个基因让“最小”人造细胞正常生长分裂
发布时间:2021/3/31 15:58:27
 
J. Craig Venter和同事最先合成的一些衣原体细菌。图片来源:THOMAS DEERINCK, NCMIR/SCIENCE PHOTO LIBRARY

5年前,研究人员高调宣布,他们设计出了一种精简的微生物细胞。和其他任何已知的有机体相比,这种细胞能以更少的基因生存,但这个“最小细胞”往往分裂异常。现在,通过放回7个基因,一个团队修正了这些细胞,使它们像自然细胞一样生长。3月29日,相关成果发表于《细胞》。

美国明尼苏达大学的合成生物学家Kate Adamala说,这一发现能让科学家更加了解正常细胞的哪些功能至关重要,以及许多神秘的基因在做什么。“这是向前迈出的重要一步,或许可以帮助识别未知基因的功能。”

确定基本基因也有利于合成生物学家。密歇根大学安娜堡分校微生物学家Anthony Vecchiarelli表示,“我们需要知道,重建生命所需最小部件的清单是什么。”此外,“最小细胞”还可以通过阐明哪些能力对原始细胞至关重要,从而帮助人们深入了解生命的起源。

基因组测序先驱J. Craig Venter和同事创造了第一个“最小细胞”。他们从支原体微生物开始研究,这是一种非常微小的寄生虫---- 拥有525个基因(大肠桿菌大约有4000个基因)。2010年,研究小组报告说,用一个901基因的合成基因组替换一种支原体的985基因组,能使这个被称为syn1.0的细胞发出咕噜声。之后,科学家继续从syn1.0的基因组中去除DNA片段,并在2016年公布了一个更加精简的版本syn3.0,它可以通过473个基因进行代谢和繁殖。

但这个细胞也有一个怪癖:它的许多后代都是畸形的。为检查实验室条件是否会对脆弱的合成细胞造成压力,美国国家标准与技术研究所合成生物学家Elizabeth Strychalski领导的研究小组将细胞置于微流体芯片中,一方面保护细胞免受营养介质中电流的伤害,一方面让研究人员看到细胞分裂的过程。

然而,这种温和的治疗并没有什么作用。“当我们观察单个细胞时,发现这是一场大混乱。”Strychalski说。这些细胞本来应该是小球体,但有些却像庞然大物,周长约为正常细胞的25倍。其他的看起来像是线或是珍珠串。研究人员总结说,粗暴处理并不是问题所在,相反,问题源于帮助控制繁殖和细胞形状的基因被移除。

目前还不清楚究竟是哪些基因缺失造成了这种情况,但实验室的冰箱里有一条线索。为创建syn3.0,Venter和同事生成了许多缺乏syn1.0部分基因组的其他细胞株。当Strychalski和她的团队解冻其中一个丢失了76个syn1.0基因的菌株时,它也产生了形状异常的后代。“它帮助我们把基因从400个缩小到76个。”论文作者之一、麻省理工学院生物物理学家James Pelletier说。

通过添加基因组合来确定最终产生的细胞是否正常分裂,研究人员将所需数量减少到19个,然后进一步减少。现在,他们报告说,只要在syn3.0中加入7个基因,就可以恢复正常分裂。

人们已经知道其中两个基因在细胞分裂中发挥作用,但其他5个基因的参与令人意外——它们在微生物分裂中的作用仍然未知。

“修正后的‘最小细胞’可以帮助阐明这一仍然神秘的过程。”Strychalski说,“我们仍然不知道这些东西分裂的机制。这让我大吃一惊。”


来源:中国科学报

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