潘婧

人類(lèi)曾經(jīng)與其他動(dòng)物一樣——衣不蔽體，食不充饑，四處漂泊，一不留神還會(huì)成為其他掠食者的盤(pán)中餐。然而，我們的祖先并不滿(mǎn)足現(xiàn)狀，他們不斷地探索著這個(gè)星球，改寫(xiě)著人類(lèi)史。正如尼爾·阿姆斯特朗在首次踏上月球時(shí)說(shuō)“這是我個(gè)人的一小步，卻是人類(lèi)的一大步”，人類(lèi)逐漸取代其他動(dòng)物坐穩(wěn)食物鏈頂端的這把交椅，仿佛成為了“上帝”。近日，克雷格·文特爾和他的團(tuán)隊(duì)以絲狀支原體的基因組為模板，創(chuàng)造出了人造細(xì)胞——辛西婭，又將在人類(lèi)科學(xué)史上留下重重一筆。

極簡(jiǎn)生命體的贏家——支原體

支原體第一次名揚(yáng)海外，與疾病脫不了干系。19 世紀(jì)時(shí)，人們第一次注意到支原體，它們不像其他微生物具有細(xì)胞壁禁錮自己，由于只有細(xì)胞膜，它們變得自由隨意。支原體作為最小的原核生物卻不容小覷，它具有致病性，宿主很多，對(duì)人和動(dòng)植物都不放過(guò)。最令人頭疼的是，小小的支原體對(duì)絕大多數(shù)抗生素都具有耐藥性，人類(lèi)嘗試許多辦法均無(wú)濟(jì)于事。

幾十年后，人類(lèi)對(duì)支原體的認(rèn)識(shí)發(fā)生了改變，在所有可自我復(fù)制的細(xì)胞中，生殖支原體具有最小基因組——只有525個(gè)基因，家喻戶(hù)曉的大腸桿菌大約含有4 000個(gè)基因。我們說(shuō)一個(gè)細(xì)菌若想在外界紛繁復(fù)雜的環(huán)境中存活下來(lái)，通常會(huì)保留很多具備不同功能的基因來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。相比之下，生活在動(dòng)物宿主體內(nèi)吃喝不愁的支原體，在漫長(zhǎng)的演化歷程中，摒棄了一些毫無(wú)用武之地的基因。支原體去其糟粕，取其精華，簡(jiǎn)化再簡(jiǎn)化。正是因?yàn)槿绱?，它注定成為科學(xué)家探索生命形式的靈感源泉與理想模型。這一次支原體身披的光環(huán)覆蓋住了陰影，當(dāng)之無(wú)愧地成為極簡(jiǎn)生命體的贏家。

接過(guò)造物主手中的權(quán)杖

還記得瑪麗雪萊的科幻小說(shuō)《弗林肯斯坦》嗎？書(shū)中描述科學(xué)家弗林肯斯坦為追求和利用當(dāng)時(shí)的生物學(xué)知識(shí)，將死尸身上不同的器官和組織拼成一個(gè)人體，并利用雷電賦予它生命。盡管現(xiàn)實(shí)生活中，沒(méi)有一個(gè)科學(xué)家可以這樣制造出一個(gè)人類(lèi)。但為了從造物主手中接過(guò)權(quán)杖，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造生命的夢(mèng)想，人類(lèi)從未停止探索的腳步。

上世紀(jì)80年代，哈羅德·莫洛維茲提出了一個(gè)對(duì)當(dāng)時(shí)的分子生物學(xué)而言異想天開(kāi)的計(jì)劃，研究地球上最小的單細(xì)胞生物體——支原體。如何開(kāi)展研究？最大的難題莫過(guò)于如何解碼這種細(xì)菌的完整基因序列，生物的基因組就好比一份系統(tǒng)軟件，基因測(cè)序技術(shù)的發(fā)展使人們能夠解讀生命演化出的種種“代碼”。DNA被視為生命的藍(lán)圖，遺傳密碼是用DNA的4個(gè)堿基A、C、G和T按照一定順序進(jìn)行編碼的，這些堿基序列構(gòu)成了20種氨基酸（用于合成蛋白質(zhì)）的遺傳指令，從此分子生物學(xué)有了自己的編碼規(guī)則。只要能看懂這份藍(lán)圖并破譯遺傳信息，人類(lèi)就能了解生命運(yùn)作的所有道理。莫洛維茲論證說(shuō)，只要基因組足夠小，分析就是可能的。然而，由于測(cè)序技術(shù)上的瓶頸，在上世紀(jì) 80 年代，科學(xué)家若想解讀支原體的整個(gè)基因組，的確是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

最小細(xì)菌誕生記

辛西婭1.0：第一個(gè)人造細(xì)胞的誕生

2010年，被稱(chēng)為生物學(xué)界“壞小子”的克雷格·文特爾帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)以絲狀支原體的基因組作為模板，以計(jì)算機(jī)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)為依托，用化學(xué)方法合成出一整套支原體的基因組，將它移植到去除了DNA的山羊支原體細(xì)胞內(nèi)，這套含有人工合成基因組的細(xì)胞存活下來(lái)，起名為辛西婭。它就是辛西婭1.0，擁有901個(gè)基因。文特爾說(shuō)“這是地球上第一個(gè)父母是電腦卻可以進(jìn)行自我復(fù)制的物種?！?/p>

辛西婭2.0：歷練重生

辛西婭1.0誕生后沒(méi)多久，文特爾等人就開(kāi)始投入到簡(jiǎn)化辛西婭1.0“代碼”的工作中。

辛西婭要想輕裝上陣，文特爾就必須弄清楚哪些基因?qū)π廖鲖I是必需的。于是，文特爾的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，隨機(jī)往辛西婭1.0上的基因插入 轉(zhuǎn)座子 ，打亂辛西婭1.0的“代碼”，然后將處理后的辛西婭菌株培養(yǎng)40代，最終收集得到的菌落，分別進(jìn)行測(cè)序。轉(zhuǎn)座子是什么，又是如何發(fā)揮作用的呢？還記得《西游記》中，如來(lái)佛祖為了鎮(zhèn)壓悟空，在五行山上貼了一道符，從那時(shí)起，孫悟空的法力盡失。其實(shí)，基因和轉(zhuǎn)座子的關(guān)系就好比孫悟空和五行山上的這道符，只要轉(zhuǎn)座子在，基因就無(wú)法發(fā)揮功能。

接下來(lái)，文特爾團(tuán)隊(duì)將處理后的辛西婭基因分為3類(lèi)，即必需基因，非必需基因，半必需基因。定義“必需基因”的標(biāo)準(zhǔn)是這種基因?qū)π廖鲖I不可或缺；“非必需基因”是指這種基因可有可無(wú)，無(wú)關(guān)辛西婭的存亡?！鞍氡匦杌颉笔侵笡](méi)有這種基因辛西婭不會(huì)死，但會(huì)影響生長(zhǎng)。

也許你以為只要留下必需基因，刪掉其他基因，辛西婭2.0不就大功告成了嗎？其實(shí)不然，生命并不是簡(jiǎn)單的加減法。比如1個(gè)細(xì)菌攜帶了2個(gè)基因——甲和乙，它們負(fù)責(zé)調(diào)控的生命活動(dòng)相同。倘若兩方中的一方不在了，剩下的一方就會(huì)恪盡職守，完成自己的使命，在這種情況下，甲或乙很容易被定義為非必需基因。當(dāng)甲和乙同時(shí)被剔除，細(xì)菌的生命活動(dòng)將終止。解決了以上問(wèn)題，辛西婭2.0終于問(wèn)世了。

辛西婭3.0：極簡(jiǎn)生命

然而，文特爾和他的同事并沒(méi)有沉浸在辛西婭2.0取得的成績(jī)中。在辛西婭2.0遺傳背景下，那些曾經(jīng)被分類(lèi)為“半必需”的基因成為了非必需基因，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始更進(jìn)一步的精簡(jiǎn)篩選。最終，他們成功得到了辛西婭3.0，一個(gè)僅含有473個(gè)基因的人造細(xì)胞。

辛西婭3.0并不是終結(jié)者，相信文特爾團(tuán)隊(duì)會(huì)不斷為我們帶來(lái)驚喜，開(kāi)啟人類(lèi)對(duì)生命認(rèn)知的新篇章。