人造細菌進化能力超越自然

科技日報北京7月6日電 (記者張佳欣)據5日發表在《自然》雜誌上的一項研究,美國印第安納大學和克雷格·文特爾研究所領導的一個團隊從支原體細菌中創造了一種最簡單細胞,它只包含493個基因,是已知所有自由生命體中最小的基因組。這些細胞能夠進化和生長,增殖變多,且能重新恢復在縮小基因組時失去的遺傳適應性。這項研究將幫助人們更好地理解如何成功地設計合成細胞,甚至開啟合成生命的時代。

生物體細胞中有一本生命之書——基因組。無論是擁有460萬個鹼基對的大腸桿菌,還是擁有430億個鹼基對(約是人類基因組長度的14倍)的澳大利亞肺魚,遺傳指令的數量決定了一個生物的特徵和功能。

如果把一個很長的基因組精簡到最基本形式,會發生什麼?事實證明,即便沒有完整的基因組,生命仍然會找到一種生存和繁衍的方式。

蕈狀支原體是可引起傳染性牛胸膜肺炎的一種細菌,這種細菌生存在奶牛和山羊等反芻動物的腸道。2016年,克雷格·文特爾研究所的科學家將蕈狀支原體的基因組從901個基因削減到493個基因,創造了一種新的合成菌株JCVI-syn3B。

研究人員觀察了這種“基因組簡化細胞”在實驗室環境中會有什麼反應。一般的細胞能大量增殖,但只有精簡基因組的人造細胞會增殖嗎?會發生突變嗎?如果會的話,這些突變是促進了還是阻礙了簡化基因組細菌的生存能力?

蕈狀支原體JCVI-syn3B基因組精簡後剩下的每一個基因都是必不可少的,研究假設,這種菌株將無法突變,進化潛力受限。

但研究發現,即使只有最簡單的基因組,在實驗室中自由生長的300天裏,蕈狀支原體也表現出了極高的突變率。當將其與未經300天生長的細胞,以及基因組未被篡改的蕈狀支原體,一起放在營養資源有限的試管中。對比起來看,使基因組簡化細胞具有生存優勢的正是這300天。研究人員發現,這個時期幫助細菌恢復了最初在剝離基因組時導致下降的50%的適應能力。這些細胞的進化速度甚至比未被篡改的同類細胞快39%。