Science公布革命性成果:首个合成基因组细胞

【字体: 时间:2010年05月24日 来源:生物通

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  人造生命,无论其对于伦理学来说具有多大的争议性,但是对于基础科学研究的科学家来说,具有极大的吸引力,上周引起诸多争议的美国生物学家Craig Venter宣布开发出了第一个由一个合成的基因组所控制的细胞,这代表着世界上首个人造生命细胞的诞生,是人类科学历史上的一个突破性成果。这一研究成果公布在Science杂志上,Nature杂志同时也就这一成果采访了8位专家。

  

生物通报道:人造生命,无论其对于伦理学来说具有多大的争议性,但是对于基础科学研究的科学家来说,具有极大的吸引力,上周引起诸多争议的美国生物学家Craig Venter宣布开发出了第一个由一个合成的基因组所控制的细胞,这代表着世界上首个人造生命细胞的诞生,是人类科学历史上的一个突破性成果。这一研究成果公布在Science杂志上,Nature杂志同时也就这一成果采访了8位专家。

Craig Venter博士已经为这个目标奋斗了十几年,他参与的一些项目正在利用合成生物学生成细菌,把煤转变成清洁天然气,并把吸收二氧化碳的藻类转变成碳氢化合物燃料。合成生物学的其他潜在应用方式包括生产医药和疫苗的新方法。

在这项研究中,Craig Venter博士等人通过化学的方法合成了蕈状支原体(Mycoplasma mycoides)的基因组,然后将其植入到与它亲缘关系很近的细菌山羊支原体(Mycoplasma capricolum)的细胞里,获得了全新的蕈状支原体,植入的基因组能调控这一细胞,新移植的基因组取代原基因组发挥作用,把寄主细菌转变成蕈状支原体。这一新产生的生命能自我生长,繁殖,此次重塑的DNA片段包含850个左右的基因,尽管在移植的细菌中有14个基因被删除或遭到中断,但其中包含有添加的DNA序列使其成为区别于自然基因组的“水印”,看上去仍然像是正常的丝状支原体细菌,并只能产生丝状支原体的蛋白质。


(来自《每日邮报》)

这个最新研制的合成细胞被称为合成儿(Synthia),Craig Venter博士等人希望还能设计出更新颖的基因组,使得含有这些基因组的细菌能够完成特别的任务以帮助解决能源、环保或其它的问题。利用这种方法所有生命的基础机,并通过遗传工程的方法来制造有专门配置的可生产如燃油或能消解毒性废物的细菌。

去年Craig Venter博士和Biotechnology Industry Organization (BIO)的科学家们一道发表了前期的研究成果,他们希望有朝一日能人工操纵合成基因组,首次的研究以细菌基因组为蓝本。首先将细菌基因组提取出来,随后转移到酵母菌中对其进行必要的修饰,再将其转移到第二种细菌内。

但是,为了将修改过的基因组移植到一种新的细菌之中,研究人员面临一种类似外科医生进行器官移植的时候所遇到的一个问题:即如何使宿主接受新的物质。

许多细菌用所谓的“限制-修饰系统”来保护它们不受外来DNA的入侵。 在这些细菌中,“限制酶”自动导向某些短的DNA序列并将其摧毁。 细菌通过在沿着其基因组的关键部位加上一种叫做甲基的化学基团来庇护它们自己的DNA不受这些酶的攻击。

但是,酵母菌是不用这种方法来对其基因组进行甲基化的。 在将M. mycoides基因组移植到酵母菌中并删除一个非必需的基因(这一过程无法在细菌之中完成)之后,研究人员采取了2个步骤来绕开他们的目标宿主细菌M. capricolum中的限制性修饰:他们灭活了M. capricolum 中的限制酶并在该被修饰的基因仍然还在酵母菌中的时候为其加上了甲基基团。 接着,他们将该基因组移植到M. capricolum 之中,而后者在经过多次的细胞分裂之后产生出了一种新的供体细菌M. mycoides 的一个新的细菌株。

实际上Craig Venter博士在2007年就做过相关的尝试,但是这种尝试一直惨遭失败,因为当人造基因组被植入到寄主细胞里后,它根本无法产生作用。

而最新的这几项成果确定了这种尝试一再失败的可能原因,并形成一种进行这种尝试的新方法。天然细菌基因组,例如被成功移植的那个,是通过一种被称作甲基化作用的方法进行化学改良的。当它们被植入其他细胞里时,这个过程显然能保护它们不受化学物——限制性内切酶干扰,防止它们受到病毒毒害。然而,人造基因组并不是甲基化产物,因为它必须在酵母中生长,这个过程不能为它提供化学改变所需的物质,导致它容易受限制性内切酶袭击。

因此新成果可能将成为生物学领域最有效的一种工具,Craig Venter博士希望能尽快生成人造生命,这将能为创制新的可用于生产生物燃料、清理毒性废物、碳截留或其它应用的微生物打下了基础。

不过一些科学家也对这项研究结果表示担忧,害怕由于滥用这项技术或者实验室的微小失误都将导致无法挽回的后果。比如在Nature的采访中,来自波士顿大学的Jim Collins教授就表示,这项技术还需要更进一步的完善。

Craig Venter博士在人类基因组研究等方面做成了不少贡献,1990年,来自法国、德国、日本、中国等六国的科学家组成了一个多国合作小组开展人类DNA测序工作以揭开人类基因组之谜。最初他们希望2005年前能够获得人类DNA序列的图谱, 但是到1997年, 在耗费了巨额资金和一半预定时间之后,多国合作小组仅完成了3%的测序工作。

与此同时, Craig Venter博士创立了一个名为“Celera Genomics”的风险投资公司并宣称他将在无政府投资条件下早于多国合作小组完成人类基因组计划。就在1991年,Craig Venter开发出新的测序技术。Celera采用了如“散弹枪”等一系列新的方法并很快真的追上了多国合作小组。看到自己即将失利, 多国合作小组在美国总统克林顿的撮合下开始与Celera合作, 在2000年6月完成了90%, 2001年初完成了99%的人类基因组草图。

与多国合作小组利用的方法不同,Craig Venter博士没有使用BAC克隆体而是将全基因组随机切成几千万片断, 读取每一片段的序列然后拼接它们。尽管看上去更直接,由于要比较几千万个序列信息并找到重叠部分,这项工作需要大量的计算机工作。为解决这个问题Celera的合作者们发明了高效的生物信息学(Bioinformatics)运算法则, 从而得以短期内赶上多国合作小组的工作。

(生物通:张迪)

原文摘要:

Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome

We report the design, synthesis, and assembly of the 1.08-Mbp Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 genome starting from digitized genome sequence information and its transplantation into a Mycoplasma capricolum recipient cell to create new Mycoplasma mycoides cells that are controlled only by the synthetic chromosome. The only DNA in the cells is the designed synthetic DNA sequence, including "watermark" sequences and other designed gene deletions and polymorphisms, and mutations acquired during the building process. The new cells have expected phenotypic properties and are capable of continuous self-replication.

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