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Cell突破性成果:首次创造出可以正常生长和分裂的简单合成细胞

五年前,科学家创造了一种只有473个基因的单细胞合成生物,是当时已知的最简单的活细胞。但是,这种细菌样生物在生长和分裂时表现异常,产生形状和大小完全不同的细胞。

现在,科学家们已经鉴定出七个可以添加的基因,可以驯服细胞的不守规矩,使它们整齐地分裂均匀的细胞。这项成就是由J. Craig Venter研究所(JCVI),美国国家标准技术研究院(NIST)和麻省理工学院(MIT)等处合作完成的,发布在Cell杂志上。

鉴定这些基因是工程合成有用细胞的重要一步。这种细胞可以充当生产药物,食品和燃料的小型工厂。文章作者Elizabeth Strychalski说:“我们想了解细胞的基本设计规则。” “如果这可以帮助我们发现和理解这些规则,那么这就是迈出了重要的一步。”

JCVI的科学家在2010年制造了第一个具有合成基因组的细胞。他们并没有完全从头开始构建该细胞,而是从非常简单的一种称为支原体的细菌的细胞开始。研究人员破坏了这些细胞中的DNA,并用在计算机上设计,在实验室合成的DNA取代了它。这是地球生命史上第一个具有完全合成基因组的生物。他们称其为JCVI-syn1.0。

从那时起,科学家们一直在努力让该生物不只是由最低遗传组成。他们五年前创建的称为JCVI-syn3.0的超简单细胞可能太简约了。研究人员现在已经向该细胞添加了19个基因,包括正常细胞分裂所需的7个基因,创建新的变体JCVI-syn3A。该变体具有接近500个基因。从数字上看,生活在肠道中的大肠杆菌大约有4,000个基因。一个人体细胞大约有30,000个。

在John Glass的领导下,JCVI的合成生物学小组花了多年的心血来鉴定出这七个额外的基因。文章一作Lijie Sun通过系统性添加和删除基因,构建了数十种变异株。然后,她和其他研究人员观察这些遗传变化如何影响细胞的生长和分裂。

但是将细胞固定在显微镜下特别困难,因为它们非常小巧。为了解决这个问题,研究人员又设计了一种微流控化学恒温器,可以在光学显微镜下保持细胞。然后通过成像,研究正在生长和分裂的合成细胞。

研究人员拍摄了一段视频,显示了五年前创建的JCVI-syn3.0细胞,分裂成了不同的形状和大小,另一个视频显示了新的JCVI-Syn3A细胞被分成形状和大小更均匀的细胞。

这些视频使研究人员能够观察到合成细胞的遗传物质如何影响细胞的生长和分裂。如果删除一个基因破坏了正常的过程,他们会把它放回去再尝试另一个。

“我们的目标是了解每个基因的功能,以便我们可以开发出一个完整的细胞运作模型。”

但是这个目标尚未实现。在添加到该生物体中进行正常细胞分裂的七个基因中,科学家们只知道其中两个的功能,其他五个在细胞分裂中所起的作用尚不清楚。

“这仍然是一个黑匣子,”但是,通过这种简化的合成细胞,科学家可以很好地了解生物内部发生的情况。


原文链接:

http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008


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