科学家在实验室中创造出能正常生长和分裂的合成细胞

据外媒报道，新发现揭示了控制生命最基本过程的机制。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从而使它们整齐地分裂成均匀的球体。相关研究报告已发表在《Cell》上。

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，运转起来就像微型电脑一样。

但要设计和建造一个能完全按自己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。

“我们想要了解生命的基本设计规则，”该研究的论文合著者之一、NIST细胞工程小组组长Elizabeth Strychalski说道，“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。”

2010年， J. Craig Venter研究所(JCVI)的科学家们构建了首个带有合成基因组的细胞。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。他们破坏了这些细胞中的DNA并用计算机设计并用在实验室合成的DNA将其取而代之。这是地球生命史上第一个拥有完全合成基因组的有机体。他们将其称为JCVI-syn1.0。

从那以后，科学家们一直致力于将这种生物体的基因成分缩减到最低限度。他们在5年前创建的超级简单细胞--JCVI-syn3.0可能太过简单，但现在研究人员已经向这个细胞添加了19个基因，其中包括正常细胞分裂所需的7个基因以创造新的变异JCVI-syn3A。这种变体只有不到500个基因。从这个角度来看，生活在人体肠道中的大肠杆菌约有4000个基因。人类细胞大约有3万个。

论文联合第一作者、JCVI科学家Lijie Sun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。

美国国家标准局(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，然而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。一个大肠杆菌能容纳100个以上的细菌。微小的力量就可以将它们撕裂。

为了解决这个问题，Strychalski和MIT合著者James Pelletier、Andreas Mershin和Neil Gershenfeld设计了一种微流控恒化器--一种小型水族馆--在那里细胞可以在光学显微镜下获得喂养。得到的结果是定格运动视频，其展示了合成细胞的生长和分裂。

视频展示了五年前创建的JCVI-syn3.0细胞分成不同的形状和大小。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。

这个视频显示新的JCVI-Syn3A细胞则分裂成形状和大小更均匀的细胞。

这些视频及其他类似的视频还让研究人员得以观察他们的基因操作是如何影响细胞的生长和分裂的。如果移除一个基因干扰了正常的过程，他们会把它放回去然后尝试另一个。

“我们的目标是了解每个基因的功能，这样我们就可以建立一个完整的细胞如何工作的模型，”Pelletier说道。

但这一目标尚未实现。在为正常细胞分裂添加的7个基因中，科学家们只知道其中2个的作用。其他5种细胞在细胞分裂中所起的作用还不清楚。

“生活仍是一个黑匣子，”Strychalski说道。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。