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此报道于下午 5:00 更新。
首个完全依靠人类合成的基因代码生存的微生物已开始在 J·克雷格·文特尔研究所 (JCVI) 的实验室中繁殖。文特尔及其同事使用合成基因组——生命的遗传指令集——构建并操作了一种新型的合成支原体菌株，根据科学杂志 5 月 20 日在线发布的一份报告。
“这是地球上第一个拥有计算机作为‘父母’的自我复制细胞，”J·克雷格·文特尔在 5 月 20 日的新闻发布会上说。“这也是第一个基因代码中拥有网站的物种。”
在过去的 15 年里，数千种生物的基因组已被测序并存入数据库。“我们称之为生物学数字化，”JCVI 分子生物学家丹尼尔·吉布森告诉《大众科学》。“我们现在表明，有可能逆转这一过程，并从这种数字化信息开始合成细胞……。我们将我们创造的细胞称为合成细胞，因为它是由化学合成的 DNA 片段组装而成的基因组控制的细胞。”
换句话说，一台化学合成仪将各种人造的腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶的短迭代片段拼接在一起，然后组装成一个可工作的 基因组，该基因组可以成功产生维持生命所需的蛋白质。研究人员使用大约 1,000 个碱基对长度的 DNA 片段（称为盒式基因），在大肠杆菌和酵母细胞中从头开始组装了M. mycoides基因组的简化版本。最终的合成基因组——超过一百万个碱基对长——然后被插入到现有的山羊支原体细胞中。然后，合成细胞继续表现得像M. mycoides，从合成基因组编码的指令中产生蛋白质，甚至分裂和生长。
“这是一件大事，”哈佛医学院的遗传学家和技术开发人员乔治·丘奇在谈到这项成就时说。“这不是渐进式的，但也不是最终的，”他指出，其他团队已经在从部分重新设计的基因组中交付有用的产品，例如来自工程大肠杆菌的生物燃料。
斯坦福大学的生物工程师德鲁·恩迪澄清了如何看待这种创造。“这不是创世纪，不是老鼠从角落里的一堆脏抹布中冒出来，”他说。“正确的词是‘poesis’，人类构建。我们现在可以从信息中获得一个繁殖生物。它为我们学习如何工程化基因组奠定了基础。”
达到这一步并非没有挑战，包括在过去 15 年中，至少需要向相关实验投资 4000 万美元，主要由文特尔的私人公司 Synthetic Genomics 和美国能源部等资助。研究人员最初打算合成生殖支原体的基因组，该基因组具有已知的最小天然遗传指令集。但是，该生物的生长缓慢和其他特性导致他们放弃了它，转而选择基因上更复杂的近亲，例如M. mycoides和M. capricolum。为了简化事情，他们从M. mycoides的天然基因组中删除了 14 个基因，留下了数百个。
然后，研究人员找不到将基因组从一种细菌种类转移到另一种细菌种类的方法，最终招募酵母作为组装中转站，从而更容易地操纵遗传物质，并克服微生物对篡改其 DNA 的天然抗性。酵母还会多次复制合成基因组及其自身基因组，以便为实验提供备用，同时添加其自身的遗传变异，例如现在在合成基因组中发现的八个单核苷酸多态性。事实上，合成基因组与其天然类似物之间总共有 19 个核苷酸序列差异。而且，到目前为止，基因组只能在近缘物种之间交换。“目前，我们不知道从系统发育学角度来看，供体和受体可以有多远，”JCVI 微生物学家卡罗尔·拉蒂格在 5 月 20 日的简报会上说。
但是，一旦插入了这个合成基因组——潜在的宿主细胞就失败了，“我们不知道为什么，”吉布森说。通过逐个基因地交叉检查整个基因组，他们在三个月的工作后发现了致命的缺陷：dnaA基因中缺少一个碱基，这是生命所必需的。“准确性至关重要，”文特尔说。“基因组的某些部分甚至不能容忍一个错误。”
当然，原始细胞的其余部分仍然是“天然”制造的，从细胞质向下，但数十亿个子细胞完全由合成基因组编码的蛋白质组装而成。一旦完美的合成M. mycoides基因组于 3 月 26 日插入M. capricolum中，它就会启动天然细胞的机器，并忙碌地开始生活、制造蛋白质，并最终分裂和茁壮成长。到 3 月 29 日，研究人员发现了一个由合成驱动的M. mycoides生存的繁荣的蓝色M. capricolum菌落。“只有合成基因组的细胞能够自我复制并进行对数增长，”研究人员写道，并且比它们的天然同类“生长得稍快”。
文特尔及其同事还在代码中加入了四个“水印”，以区分合成微生物——被称为Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0——与天然生物，包括 46 位合成基因组科学贡献者的姓名、一个电子邮件地址和一个基于碱基的四个字母和遗传密码中可能的四个字母或三联体 64 种组合的代码的网站。“当您将英文文本放入 [代码] 时，它会在遗传密码中生成非常频繁的终止密码子，并且不会产生大的蛋白质，”JCVI 微生物学家、医学诺贝尔奖获得者汉密尔顿·史密斯说。“它被设计为生物学中性的。”
吉布森补充说：“如果有人能够翻译水印序列，他们将能够向我们发送电子邮件，并证明他们解码了这些序列。”
人造基因代码还包括三段引言：詹姆斯·乔伊斯的“为了生存，为了犯错，为了跌倒，为了胜利，为了从生命中再造生命”；罗伯特·奥本海默通过纽约市的 伦理文化学校 引用的“看到事物的本来面目，而不是它们可能成为的样子”；以及物理学家 理查德·费曼 的“我不能建造的东西，我就不能理解”。
至于首批合成细胞，它们现在处于 JCVI 冰柜中的休眠状态。“如果有细胞博物馆，我们可以捐赠它，”文特尔说。“如果我们需要它，我们可以解冻它，它将再次开始复制。”
可能出错的地方
实验室中人类定向生命的存在本身就引发了担忧，包括合成生命逃离实验室并消灭其天然同类，或通过水平基因转移感染它们的合成 DNA 的可能性。已经提出了各种控制方法，包括构建自然界中不存在的基因序列，在人造细胞中设计弱点，甚至插入自杀基因，如果生物体从实验室环境中移除，则会杀死该生物体。“我们呼吸的氧气很大程度上依赖藻类，如果我们搞砸了，那将是很糟糕的，”文特尔指出。
丘奇指出，与经过数十亿年进化和竞争而工程化的健壮的天然同类相比，人造创造物可能很脆弱，但他也呼吁对合成生物体的工作或创造过程进行严格的监督。“第一个保障措施原来是让其他人审查你将要进行的工作，这样就不会是一个人在实验台上提出一个想法，”恩迪补充说。“如果你愿意，可以把它看作是一个伙伴系统。”
毕竟，JCVI 科学家“现在准备构建不同的生物体，”吉布森说。“我们希望使用可用的测序信息，创造能够产生能量、药物、工业化合物和封存二氧化碳的细胞。”
事实上，文特尔希望使用这些技术在几天而不是几周或几个月内开始合成抗病毒疫苗。“我们正在从 [美国国立卫生研究院] 获得持续资助，与诺华公司合作开展一个项目，以使用这些新的合成 DNA 工具来制造您明年可能接种的流感疫苗，”文特尔说，以及开发针对以前因其快速突变能力而难以治疗的病毒的疫苗，例如鼻病毒（普通感冒）和 HIV（艾滋病）。研究人员还希望修改藻类基因组的至少 200 万个碱基对，以帮助其更有效地将阳光和二氧化碳转化为碳氢化合物。
处理更复杂的基因组仍然是一项艰巨的任务，因此许多参与的研究人员现在将专注于尝试创造仍然能够维持生命的最简单的基因组。“我们可以削减合成基因组并重复移植实验，直到不能再破坏基因，并且基因组尽可能小，”吉布森说，估计这可能不到第一个合成基因组所需的一百多万个碱基对的一半。“这将有助于我们了解细胞中每个基因的功能，以及维持最简单形式的生命所需的 DNA。”以及未来合成生物学可能需要的 DNA。