人造细菌进化能力超越自然

科技日报北京7月6日电 (记者张佳欣)据5日发表在《自然》杂志上的一项研究,美国印第安纳大学和克雷格·文特尔研究所领导的一个团队从支原体细菌中创造了一种最简单细胞,它只包含493个基因,是已知所有自由生命体中最小的基因组。这些细胞能够进化和生长,增殖变多,且能重新恢复在缩小基因组时失去的遗传适应性。这项研究将帮助人们更好地理解如何成功地设计合成细胞,甚至开启合成生命的时代。

生物体细胞中有一本生命之书——基因组。无论是拥有460万个碱基对的大肠杆菌,还是拥有430亿个碱基对(约是人类基因组长度的14倍)的澳大利亚肺鱼,遗传指令的数量决定了一个生物的特征和功能。

如果把一个很长的基因组精简到最基本形式,会发生什么?事实证明,即便没有完整的基因组,生命仍然会找到一种生存和繁衍的方式。

蕈状支原体是可引起传染性牛胸膜肺炎的一种细菌,这种细菌生存在奶牛和山羊等反刍动物的肠道。2016年,克雷格·文特尔研究所的科学家将蕈状支原体的基因组从901个基因削减到493个基因,创造了一种新的合成菌株JCVI-syn3B。

研究人员观察了这种“基因组简化细胞”在实验室环境中会有什么反应。一般的细胞能大量增殖,但只有精简基因组的人造细胞会增殖吗?会发生突变吗?如果会的话,这些突变是促进了还是阻碍了简化基因组细菌的生存能力?

蕈状支原体JCVI-syn3B基因组精简后剩下的每一个基因都是必不可少的,研究假设,这种菌株将无法突变,进化潜力受限。

但研究发现,即使只有最简单的基因组,在实验室中自由生长的300天里,蕈状支原体也表现出了极高的突变率。当将其与未经300天生长的细胞,以及基因组未被篡改的蕈状支原体,一起放在营养资源有限的试管中。对比起来看,使基因组简化细胞具有生存优势的正是这300天。研究人员发现,这个时期帮助细菌恢复了最初在剥离基因组时导致下降的50%的适应能力。这些细胞的进化速度甚至比未被篡改的同类细胞快39%。