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生命所必须要素是什么东西?

要维持生命及繁殖功能,生物最少可以有多少个基因?

要维持生命及繁殖功能,生物最少可以有多少个基因?人类基因组共有约2万多个基因、果蝇有约1万4千个、大肠杆菌有4千多个,曾经有科学家尝试挑战下限,制造出目前最少基因的生物(不包括病毒在内)。

生物学家Craig
Venter及其研究小组曾在期刊《Science》发表论文,公布其研究成果。在此之前,自然界的纪录保持者是生殖道霉浆菌(Mycoplasma
genitalium),只有525个基因,但Venter等人所制造的细菌基因数目还要少一成,只有473个。

生命所必须要素是什么东西?

一个20年前的问题

这项研究的故事,要由20年前开始说起。1995年,Venter的研究小组破解了生殖道霉浆菌的基因组,是第二种基因组被完整测序的细菌,也是最少基因同时能够自我复制的生物。这个发现带出一个问题︰一个细胞携带的基因数量下限是多少?

Venter忆述︰“我们想知道生命的基本基因组成,20年前似乎是个好想法,那时候我们没想到需要20年来完成。”

打造最简单的生物

研究小组原本希望利用其生物学知识,找出对生命而言最重要的基因,然后再设计他们的目标——最少基因的生物。他们首先学会如何从根本开始设计及建立基因组,其他研究员会修改现有生物的DNA,但他们想更全面控制过程,因此先用电脑中设计好,然后在试管中合成DNA。

2008年,Venter跟Hamilton

Smith参照生殖道霉浆菌的DNA,制造了首个人工合成的细菌基因组。两年后他们制造了首个能自行复制的合成生物,两人所制造的丝状霉浆菌跟自然界的版本几乎一样,除了研究人员加入一些水印——他们自己的名字,以及几句名言,包括物理学家费曼的一句“我不能造的东西,我并不了解。”

已有工具在手后,研究小组尝试设计他们的“极简”细胞蓝图,并制造出来,然而所有设计都失败了。Venter发现目前的生物学知识,未足以让他们完成目标。

生命所必须要素是什么东西?

三类基因

于是他们采取另一策略︰拿走丝状霉浆菌的基因,观察哪些是必须的、哪些不是。研究人员把基因分成三大类︰

  • 缺少了便无法生存的必要基因;

  • 删除后仍可顺利生长的非必要基因;

介乎两者之间,删去后仍可维持生命,但生长会受到不同程度的影响的半必要基因。

删减多余的基因后,研究人员制造出syn3.0——目前含有最少基因同时能繁殖的生物。剩下来的基因可按用途分为三大种︰

  • 制造RNA或蛋白质;

  • 保存基因信息;

  • 制造细胞膜。

生物学的未知领域

不过研究人员尚有149个基因未能确认其作用,他们大概知道当中的70个基因的结构,而不知道其确实用途。其余79个更是一个谜团,Venter表示︰“我们不知道它们能提供什么,以及为何是维持生命所必须的基因。也许它们的作用比较隐晦,属于目前生物学未了解的领域。”

研究成果可望有多项用途,例如成为生物学研究中的测试工具,又或者改造来制作不同的化学物。参与研究的Daniel Gibson相信,这些细胞可以有不同的工业用途,例如医药、生物化学、生物燃料、营养及农业等。

了解生命的根本要素

Venter不愿称syn3.0为最简约的细胞,他指出如果研究小组一开始时用上另一种细菌,结果可能会得出另一组基因。当科学家20年前开始研究这个课题时,他们希望可以找到所有生物都拥有的基因。在多种生物的基因组完成测序后,有科学家对比超过1000个基因组后发现,没有一个所有生物共享的基因。

生命所必须要素是什么东西?

更重要的是,所有生物都因应环境而生存,所谓“必要”的基因,仍然需要按环境来判断。再者生物的演化历史,也不会是从一无所有突然跳至这四百多个基因的细胞,当中必定曾出现一些更简单的生物。

有科学家相信,这类研究有助了解生物最根本的要素。瑞典乌普萨拉大学的生物学家Anthony Forster认为,如果我们能够了解最简单的生物,就能够从最根本开始设计及合成生物。不过他表示︰“我们仍距离此目标甚远”。

参考资料:

Design and synthesis of a minimal bacterial genome (Clyde A. Hutchison III et al. 2016)

Landmark as lab creates synthetic cell with minimum genes needed for life (The Guardian)

This man-made cell has the smallest genome ever — but a third of its genes are a mystery (The Washington Post)

In Newly Created Life-Form, a Major Mystery (Quanta Magazine)

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