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此報道於下午 5:00 更新。
首個完全依靠人類合成的基因程式碼生存的微生物已開始在 J·克雷格·文特爾研究所 (JCVI) 的實驗室中繁殖。文特爾及其同事使用合成基因組——生命的遺傳指令集——構建並操作了一種新型的合成支原體菌株，根據科學雜誌 5 月 20 日線上釋出的一份報告。
“這是地球上第一個擁有計算機作為‘父母’的自我複製細胞，”J·克雷格·文特爾在 5 月 20 日的新聞釋出會上說。“這也是第一個基因程式碼中擁有網站的物種。”
在過去的 15 年裡，數千種生物的基因組已被測序並存入資料庫。“我們稱之為生物學數字化，”JCVI 分子生物學家丹尼爾·吉布森告訴《大眾科學》。“我們現在表明，有可能逆轉這一過程，並從這種數字化資訊開始合成細胞……。我們將我們創造的細胞稱為合成細胞，因為它是由化學合成的 DNA 片段組裝而成的基因組控制的細胞。”
換句話說，一臺化學合成儀將各種人造的腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤和胸腺嘧啶的短迭代片段拼接在一起，然後組裝成一個可工作的 基因組，該基因組可以成功產生維持生命所需的蛋白質。研究人員使用大約 1,000 個鹼基對長度的 DNA 片段（稱為盒式基因），在大腸桿菌和酵母細胞中從頭開始組裝了M. mycoides基因組的簡化版本。最終的合成基因組——超過一百萬個鹼基對長——然後被插入到現有的山羊支原體細胞中。然後，合成細胞繼續表現得像M. mycoides，從合成基因組編碼的指令中產生蛋白質，甚至分裂和生長。
“這是一件大事，”哈佛醫學院的遺傳學家和技術開發人員喬治·丘奇在談到這項成就時說。“這不是漸進式的，但也不是最終的，”他指出，其他團隊已經在從部分重新設計的基因組中交付有用的產品，例如來自工程大腸桿菌的生物燃料。
斯坦福大學的生物工程師德魯·恩迪澄清了如何看待這種創造。“這不是創世紀，不是老鼠從角落裡的一堆髒抹布中冒出來，”他說。“正確的詞是‘poesis’，人類構建。我們現在可以從資訊中獲得一個繁殖生物。它為我們學習如何工程化基因組奠定了基礎。”
達到這一步並非沒有挑戰，包括在過去 15 年中，至少需要向相關實驗投資 4000 萬美元，主要由文特爾的私人公司 Synthetic Genomics 和美國能源部等資助。研究人員最初打算合成生殖支原體的基因組，該基因組具有已知的最小天然遺傳指令集。但是，該生物的生長緩慢和其他特性導致他們放棄了它，轉而選擇基因上更復雜的近親，例如M. mycoides和M. capricolum。為了簡化事情，他們從M. mycoides的天然基因組中刪除了 14 個基因，留下了數百個。
然後，研究人員找不到將基因組從一種細菌種類轉移到另一種細菌種類的方法，最終招募酵母作為組裝中轉站，從而更容易地操縱遺傳物質，並克服微生物對篡改其 DNA 的天然抗性。酵母還會多次複製合成基因組及其自身基因組，以便為實驗提供備用，同時新增其自身的遺傳變異，例如現在在合成基因組中發現的八個單核苷酸多型性。事實上，合成基因組與其天然類似物之間總共有 19 個核苷酸序列差異。而且，到目前為止，基因組只能在近緣物種之間交換。“目前，我們不知道從系統發育學角度來看，供體和受體可以有多遠，”JCVI 微生物學家卡羅爾·拉蒂格在 5 月 20 日的簡報會上說。
但是，一旦插入了這個合成基因組——潛在的宿主細胞就失敗了，“我們不知道為什麼，”吉布森說。透過逐個基因地交叉檢查整個基因組，他們在三個月的工作後發現了致命的缺陷：dnaA基因中缺少一個鹼基，這是生命所必需的。“準確性至關重要，”文特爾說。“基因組的某些部分甚至不能容忍一個錯誤。”
當然，原始細胞的其餘部分仍然是“天然”製造的，從細胞質向下，但數十億個子細胞完全由合成基因組編碼的蛋白質組裝而成。一旦完美的合成M. mycoides基因組於 3 月 26 日插入M. capricolum中，它就會啟動天然細胞的機器，並忙碌地開始生活、製造蛋白質，並最終分裂和茁壯成長。到 3 月 29 日，研究人員發現了一個由合成驅動的M. mycoides生存的繁榮的藍色M. capricolum菌落。“只有合成基因組的細胞能夠自我複製並進行對數增長，”研究人員寫道，並且比它們的天然同類“生長得稍快”。
文特爾及其同事還在程式碼中加入了四個“水印”，以區分合成微生物——被稱為Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0——與天然生物，包括 46 位合成基因組科學貢獻者的姓名、一個電子郵件地址和一個基於鹼基的四個字母和遺傳密碼中可能的四個字母或三聯體 64 種組合的程式碼的網站。“當您將英文文字放入 [程式碼] 時，它會在遺傳密碼中生成非常頻繁的終止密碼子，並且不會產生大的蛋白質，”JCVI 微生物學家、醫學諾貝爾獎獲得者漢密爾頓·史密斯說。“它被設計為生物學中性的。”
吉布森補充說：“如果有人能夠翻譯水印序列，他們將能夠向我們傳送電子郵件，並證明他們解碼了這些序列。”
人造基因程式碼還包括三段引言：詹姆斯·喬伊斯的“為了生存，為了犯錯，為了跌倒，為了勝利，為了從生命中再造生命”；羅伯特·奧本海默透過紐約市的 倫理文化學校 引用的“看到事物的本來面目，而不是它們可能成為的樣子”；以及物理學家 理查德·費曼 的“我不能建造的東西，我就不能理解”。
至於首批合成細胞，它們現在處於 JCVI 冰櫃中的休眠狀態。“如果有細胞博物館，我們可以捐贈它，”文特爾說。“如果我們需要它，我們可以解凍它，它將再次開始複製。”
可能出錯的地方
實驗室中人類定向生命的存在本身就引發了擔憂，包括合成生命逃離實驗室並消滅其天然同類，或透過水平基因轉移感染它們的合成 DNA 的可能性。已經提出了各種控制方法，包括構建自然界中不存在的基因序列，在人造細胞中設計弱點，甚至插入自殺基因，如果生物體從實驗室環境中移除，則會殺死該生物體。“我們呼吸的氧氣很大程度上依賴藻類，如果我們搞砸了，那將是很糟糕的，”文特爾指出。
丘奇指出，與經過數十億年進化和競爭而工程化的健壯的天然同類相比，人造創造物可能很脆弱，但他也呼籲對合成生物體的工作或創造過程進行嚴格的監督。“第一個保障措施原來是讓其他人審查你將要進行的工作，這樣就不會是一個人在實驗臺上提出一個想法，”恩迪補充說。“如果你願意，可以把它看作是一個夥伴系統。”
畢竟，JCVI 科學家“現在準備構建不同的生物體，”吉布森說。“我們希望使用可用的測序資訊，創造能夠產生能量、藥物、工業化合物和封存二氧化碳的細胞。”
事實上，文特爾希望使用這些技術在幾天而不是幾周或幾個月內開始合成抗病毒疫苗。“我們正在從 [美國國立衛生研究院] 獲得持續資助，與諾華公司合作開展一個專案，以使用這些新的合成 DNA 工具來製造您明年可能接種的流感疫苗，”文特爾說，以及開發針對以前因其快速突變能力而難以治療的病毒的疫苗，例如鼻病毒（普通感冒）和 HIV（艾滋病）。研究人員還希望修改藻類基因組的至少 200 萬個鹼基對，以幫助其更有效地將陽光和二氧化碳轉化為碳氫化合物。
處理更復雜的基因組仍然是一項艱鉅的任務，因此許多參與的研究人員現在將專注於嘗試創造仍然能夠維持生命的最簡單的基因組。“我們可以削減合成基因組並重復移植實驗，直到不能再破壞基因，並且基因組儘可能小，”吉布森說，估計這可能不到第一個合成基因組所需的一百多萬個鹼基對的一半。“這將有助於我們瞭解細胞中每個基因的功能，以及維持最簡單形式的生命所需的 DNA。”以及未來合成生物學可能需要的 DNA。