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Cell突破性成果:首次創造出可以正常生長和分裂的簡單合成細胞

五年前,科學家創造了一種只有473個基因的單細胞合成生物,是當時已知的最簡單的活細胞。但是,這種細菌樣生物在生長和分裂時表現異常,產生形狀和大小完全不同的細胞。

現在,科學家們已經鑒定出七個可以添加的基因,可以馴服細胞的不守規矩,使它們整齊地分裂均勻的細胞。這項成就是由J. Craig Venter研究所(JCVI),美國國家標準技術研究院(NIST)和麻省理工學院(MIT)等處合作完成的,發布在Cell雜志上。

鑒定這些基因是工程合成有用細胞的重要一步。這種細胞可以充當生產藥物,食品和燃料的小型工廠。文章作者Elizabeth Strychalski說:“我們想了解細胞的基本設計規則! “如果這可以幫助我們發現和理解這些規則,那么這就是邁出了重要的一步!

JCVI的科學家在2010年制造了第一個具有合成基因組的細胞。他們并沒有完全從頭開始構建該細胞,而是從非常簡單的一種稱為支原體的細菌的細胞開始。研究人員破壞了這些細胞中的DNA,并用在計算機上設計,在實驗室合成的DNA取代了它。這是地球生命史上第一個具有完全合成基因組的生物。他們稱其為JCVI-syn1.0。

從那時起,科學家們一直在努力讓該生物不只是由最低遺傳組成。他們五年前創建的稱為JCVI-syn3.0的超簡單細胞可能太簡約了。研究人員現在已經向該細胞添加了19個基因,包括正常細胞分裂所需的7個基因,創建新的變體JCVI-syn3A。該變體具有接近500個基因。從數字上看,生活在腸道中的大腸桿菌大約有4,000個基因。一個人體細胞大約有30,000個。

在John Glass的領導下,JCVI的合成生物學小組花了多年的心血來鑒定出這七個額外的基因。文章一作Lijie Sun通過系統性添加和刪除基因,構建了數十種變異株。然后,她和其他研究人員觀察這些遺傳變化如何影響細胞的生長和分裂。

但是將細胞固定在顯微鏡下特別困難,因為它們非常小巧。為了解決這個問題,研究人員又設計了一種微流控化學恒溫器,可以在光學顯微鏡下保持細胞。然后通過成像,研究正在生長和分裂的合成細胞。

研究人員拍攝了一段視頻,顯示了五年前創建的JCVI-syn3.0細胞,分裂成了不同的形狀和大小,另一個視頻顯示了新的JCVI-Syn3A細胞被分成形狀和大小更均勻的細胞。

這些視頻使研究人員能夠觀察到合成細胞的遺傳物質如何影響細胞的生長和分裂。如果刪除一個基因破壞了正常的過程,他們會把它放回去再嘗試另一個。

“我們的目標是了解每個基因的功能,以便我們可以開發出一個完整的細胞運作模型!

但是這個目標尚未實現。在添加到該生物體中進行正常細胞分裂的七個基因中,科學家們只知道其中兩個的功能,其他五個在細胞分裂中所起的作用尚不清楚。

“這仍然是一個黑匣子,”但是,通過這種簡化的合成細胞,科學家可以很好地了解生物內部發生的情況。


原文鏈接:

http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008


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