在实验室中伪造的人为生活？科学家创造了成长和分裂的合成细胞

新发现揭示了控制最基本的生活过程的机制。

五年前，科学家们创造了一种单细胞合成有机体，它只有473个基因，是已知的最简单的活细胞。然而，这种细菌样的有机体在生长和分裂时表现得很奇怪，产生的细胞形状和大小大不相同。

现在，科学家们已经确定了七种基因，它们可以被添加到这些细胞中，使它们整齐地分裂成均匀的球体。这一成就是由J. Craig Venter研究所(JCVI)、国家标准与技术研究所(NIST)和麻省理工学院(麻省理工学院)位原子研究中心的研究成果在杂志上有描述细胞。

识别这些基因是工程合成细胞发挥作用的重要一步。这些细胞可以扮演生产药物、食物和燃料的小工厂的角色;在体内检测疾病并生产治疗疾病的药物;就像微型电脑一样。

但是，要设计和建造一个能完全按你的意愿运作的细胞，就必须有一系列的基本部件和将它们组合在一起的技术诀窍。

“我们希望了解生命的基本设计规则，”NIST蜂窝工程集团学习和领导者的共同作者伊丽莎白斯特鲁舒尔斯基说。“如果这个单元格可以帮助我们发现和理解这些规则，那么我们就会去参加比赛。”

JCVI的科学家建造了具有合成基因组的第一细胞在2010年。他们并不是完全从零开始建造这个细胞。相反，他们从一种叫做支原体的非常简单的细菌细胞开始研究。他们摧毁了脱氧核糖核酸在这些细胞中并用DNA替换为在计算机上设计并在实验室中合成。这是地球生命史上的第一个生物体，以完全合成基因组。他们称之为JCVI-SYN1.0。

从那时起，科学家们一直在努力将该有机体脱落到其最低遗传成分。他们在五年前创建的超级简单的牢房被称为JCVI-SYN3.0，也许是太简单的人。研究人员现在将19个基因添加回这段细胞，包括正常细胞划分所需的七个，以创建新的变量JCVI-SYN3A。该变体具有少于500个基因。把这个数字放在角度，大肠杆菌生活在你肠道中的细菌大约有4000个基因。人类细胞大约有3万个。

“我们想要了解生命的基本设计规则。如果这个细胞可以帮助我们发现和理解这些规则，那么我们就可以开始比赛了。”- - -Elizabeth Strychalski是这项研究的合著者，也是NIST细胞工程小组的负责人

确定这7个额外的基因需要花费很多时间多年的心血由联合作者约翰·格拉斯(John Glayabo124ss)领导的JCVI合成生物学小组。联合第一作者、JCVI科学家孙立杰通过系统地添加和移除基因构建了数十个变异菌株。然后，她和其他研究人员将观察这些基因变化如何影响细胞的生长和分裂。

NIST的任务是在显微镜下测量产生的变化。这是一个挑战，因为细胞必须存活才能被观察到。使用高倍显微镜观察死亡细胞相对容易。对活细胞进行成像要困难得多。

将这些细胞固定在显微镜下是非常困难的，因为它们是如此的小和脆弱。100个或更多个可以装进一个大肠杆菌细菌。微小的力量可以将它们撕裂。

为了解决这个问题，Strychalski和MIT共同作者James Pelletier，Andreas Mershin和Neil Gershenfeld设计了一种微流体化疗 - 一种迷你水族馆 - 其中细胞可以在光学显微镜下保持喂食和快乐。结果是停止运动视频，显示了种植细胞生长和分裂。

这个视频展示了五年前创建的JCVI-syn3.0细胞，它们分为不同的形状和大小。一些细胞形成纤维。另一些则没有完全分开，而是像绳子上的珠子一样排列在一起。尽管种类繁多，但所有这些细胞的基因都是相同的。

该视频显示新的JCVI-SYN3A细胞分为更均匀的形状和尺寸的电池。

这些视频和其他人喜欢他们允许研究人员观察他们的遗传操作如何影响细胞生长和分裂。如果去除基因中断正常过程，他们会把它放回并尝试另一个。

“我们的目标是了解每个基因的功能，所以我们可以开发一个完整的电池工作模型，”Pelletier说。

但该目标尚未达成。在这种生物体中添加的七个基因对于正常细胞分裂，科学家们知道他们中的两个人。细胞分裂中的其他五个游戏的角色尚不清楚。

“生活仍然是一个黑匣子，”斯特里查尔斯基说。但通过这种简化的合成细胞，科学家们可以清楚地了解细胞内部的情况。

参考：“基因组最小细胞中细胞分裂的遗传要求”由詹姆斯F.小块，丽杰太阳，金S. Wise，Nacyra Assad-Garcia，Bogumil J. Karas，Thomas J. Deerinck，Mark H. Ellisman，Andreas Mershin，Neil Gershenfeld，Ray-yuan Chuang，John I. Glass和Elizabeth A. Strychalski，2021年3月29日，细胞。
DOI: 10.1016 / j.cell.2021.03.008