科学家合成了一个细菌基因组，只包括生命所必需的基因

科学家在实验室中制造了一个人工细菌基因组，只包括生命所需的最少量基因。这一成果使得为了特定任务——如清除石油——而定制基因组的合成生物体成为可能。

这种人工细菌能够代谢营养物质并自我复制（分裂和增殖）。它只具有473个基因，相比之下，自然界中的细菌往往具有数千个基因。不过，研究团队目前还不知道该基因组中149个基因的确切功能。

“我们展示了生命可以有多么复杂，即使是最简单的生物体，”克雷格·文特研究所（J.-Craig-Venter-Institute，JCVI）的创始人兼首席执行官克雷格·文特说，“就这一层面而言，这些发现还是非常粗陋的。”这项研究便是由克雷格·文特研究所的团队完成。

故事得从一类被称为支原体（Mycoplasma）的细菌说起。这类细菌具有自然界中最小的基因组，往往会寄生在人类和其他哺乳动物体内。克雷格·文特称，他和该研究的另一位作者，同样来自JCVI的克莱德·哈钦森（Clyde-Hutchison），曾经在20世纪90年代就讨论过如何回答生命功能的基本问题。他们的结论是，有必要打造一种基因组尽可能小的人工生命。

1995年，其他研究者也想到了这种人工生物体的必要性，并估计最小也需要156个基因。这一结论被证明是错误的。JCVI的研究团队使用丝状支原体（M.-mycoides）的基因组来制造细菌。

这种细菌的基因组于2010年合成成功，成为第一种使用人工基因组自我复制的细胞。克雷格·文特研究所将这种细菌称为“syn1.0”。不过，这种细菌的脱氧核糖核酸（DNA）中具有110万个碱基对，共901个基因。

研究团队最新制造的细菌具有531000个碱基对，共473个基因。为了减少基因的数目，团队使用syn1.0的基因组作为模板，设计了一组可能的细菌基因组，并将它们分解为更短的片段。

为了找出哪些基因对生命是绝对必需的，科学家插入了转座子的基因序列，从而干扰某个给定基因的功能。如果经过这一过程的细胞还能存活，那就可以认为这种基因是非必需的，然后就可以将其剪掉。相反，如果细胞因此死亡，就意味着被干扰的基因是必需的。

克雷格·文特称，现实中的工作并没有如此简单。有时候单独一个基因可以被移除，但是当它与另一个基因在一起时，就变成了必需的基因。文特用飞机来打比方：“如果你对飞机一无所知，那么当你看一架波音777的时候……你移走右机翼，这架飞机还可以起飞和降落，这时候你可以说它不是必需的，而只有当你将第二个机翼移走时，你才会真正意识到它的必需性。”

最终，研究团队合成了一个可以移入另一个支原体细菌（原先的基因组被移除）的基因组，新的细胞可以像正常细胞一样生长和存活。他们将这一细菌命名为syn3.0。

研究人员补充道，生命所必需基因的最低数量并不是固定的，而是取决于最初所用的生物体。例如，如果一开始用的藻类物种，那所得到的结果就将非常不同。哪些基因是否必需还可能取决于细胞或细菌所处的环境。

举例来说，在生殖器支原体（Mycoplasma-genitalium）的早期工作中，培养基同时含有果糖和葡萄糖。在这样的环境中，敲除一个运输果糖的基因不会有什么影响，敲除运输葡萄糖的基因也没什么影响。但是，如果两个基因都被敲除，那细胞就会死亡。因此，基因的必需性并不是一个“非全有即全无”的问题。

哈钦森是该研究的第一作者，也是JCVI的知名研究人员。他指出，最小基因组可能还取决于人们想要细胞做的事情——一个在黑暗中发光的细菌所具有的最小基因组就与其他细菌不同。“存在着许多最小基因组，”文特说道。

Maria-Lluch-Senar是西班牙巴塞罗那基因组调控中心（Center-for-Genomic-Regulation）的研究员和生物技术学家。她表示，文特研究所的成果令人兴奋，因为他们揭示了一种新的设计基因组的方法，比目前流行的尝试试错法快得多。

“通过这种方法，你可以鉴别出想要的最小基因组，”她说，对于给定的功能，“用这种技术，你可以定义最好的DNA片段组合方式……你可以后期再重新组合，生成能够被检测到的不同分子。”

“理论上，我们可以插入成套的基因，本质上创造出任何生物体，”文特说，“这将成为一种重要的实验工具。”也就是说，该技术具有非常广阔的前景，可以用来制造出用于特定目的的细菌，从吞食石油到制造生物燃料。

共同作者、文特研究所的助理教授丹·吉布森（Dan-Gibson）说：“我们的长期目标是设计并制造出合成生物体，满足你所需的特定功能要求，并预测出最终的效果。”他还补充道，这种最小的人工细胞，将为你所需的工作提供最大的能量，而且具有更少的突变可能，并更容易进行基因工程改造。

添加成套基因的方法或许还能帮助我们了解某些细菌演化的方式，甚至是更广泛的生命演化方式。哈钦森说：“我们可能会剪刀一些发生在演化早期的过程。但是，支原体基因组之所以小，并不是因为它们原始，而是因为它们从一个有着几千个基因的细胞演化而来，它们丢失了那些在它们所处环境中不需要的基因。”

克雷格·文特说，研究计划还将继续在合成基因组中添加基因，以确定那些未知基因的功能。“我们想要达到的是百分之百理解这种生物的基因，而不是只理解66%。”