基因工程大突破,極簡人造細胞不用 500 個基因就能完美複製分裂

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 30 日 18:01 | 分類 生物科技 , 醫療科技 Telegram share ! follow us in feedly


5 年前,科學家創造了一種只含 473 個基因的單細胞合成生物,是迄今為止已知最簡單的活細胞,只是它在生長時表現異常,隨心所欲的分裂出形狀與大小完全不同的子細胞。現在,科學家找到了 7 個能讓人造細胞穩定下來的新關鍵基因,在最新研究中順利讓人造細胞分裂出均勻後代。這些研究未來在微型電腦或微型製藥基地等領域或能有所幫助。

人造細胞這項基因工程最早可追溯至 1990 年代,但直到 2003 年科學家成功合成一種可感染細菌的小病毒才有明顯進展;2010 年時,J.Craig Venter 研究所(JCVI)團隊帶來新突破,設計出第一個合成細胞,名為 JCVI-syn1.0,剝離絲狀黴漿菌(Mycoplasma mycoides)的天然 DNA 並以工程 DNA 進行替換,是地球上第一個具有完全合成基因組的生物,含 901 個基因。

為了理解哪些基因在維持細胞正常生長與運作時必不可少、哪些又是多餘的, 團隊開始對 JCVI-syn1.0 的基因進行剔除刪減,在 2016 年升級了細胞版本,名為 JCVI-syn3.0,僅透過 473 個基因就能進行代謝和繁殖。

不過研究人員很快就發現這個細胞有缺陷——雖然它在製造蛋白質與複製 DNA 時完全沒問題,但過於奉行極簡主義導致它在進行分裂時產生許多畸形後代,比如細胞原本應該是小球體形狀,但分裂的後代異常龐大,周長約是正常細胞的 25 倍;又或者有些後代看起來不是球體而像線條,可以說子細胞的形狀與大小都相當隨意。

為了改善這問題,J.Craig Venter 研究所(JCVI)與美國國家標準暨技術研究院(NIST)、麻省理工學院科學家合作多年,終於找到維持細胞形狀均勻分裂的關鍵。在最新合成的 JCVI-syn3A 細胞中,科學家添加了 19 個新基因,其中 7 個對細胞正常分裂來說至關重要。

雖然這 7 個基因中目前也只有 ftsZ 與 sepF 基因已確定功能,另外 5 個還不清楚如何一起促進 JCVI-syn3A 分裂的一致性,但研究第一作者 James Pelletier 表示,根據遺傳序列,一些重要基因可能與細胞膜相互作用,這意味著它們會改變膜的物理性質,使其在分裂時得以適當延展,引入這些基因可使細胞分裂成均勻球體。

做個比較,生活在腸道中的大腸桿菌約有 4,000 個基因,一個人體細​​胞則約有 30,000 個基因,JCVI-syn3A 研究表明這個微小基因組可以成為一個實驗標準,或許有朝一日可以幫助科學家利用合成細胞建造微型電腦和微型製藥工廠。

新論文發表在《細胞》(Cell)期刊。

(首圖來源:美國國家標準暨技術研究院