最小細(xì)菌：減法詮釋生命

潘婧

人類曾經(jīng)與其他動物一樣——衣不蔽體，食不充饑，四處漂泊，一不留神還會成為其他掠食者的盤中餐。然而，我們的祖先并不滿足現(xiàn)狀，他們不斷地探索著這個星球，改寫著人類史。正如尼爾·阿姆斯特朗在首次踏上月球時說“這是我個人的一小步，卻是人類的一大步”，人類逐漸取代其他動物坐穩(wěn)食物鏈頂端的這把交椅，仿佛成為了“上帝”。近日，克雷格·文特爾和他的團隊以絲狀支原體的基因組為模板，創(chuàng)造出了人造細(xì)胞——辛西婭，又將在人類科學(xué)史上留下重重一筆。

極簡生命體的贏家——支原體

支原體第一次名揚海外，與疾病脫不了干系。19 世紀(jì)時，人們第一次注意到支原體，它們不像其他微生物具有細(xì)胞壁禁錮自己，由于只有細(xì)胞膜，它們變得自由隨意。支原體作為最小的原核生物卻不容小覷，它具有致病性，宿主很多，對人和動植物都不放過。最令人頭疼的是，小小的支原體對絕大多數(shù)抗生素都具有耐藥性，人類嘗試許多辦法均無濟于事。

幾十年后，人類對支原體的認(rèn)識發(fā)生了改變，在所有可自我復(fù)制的細(xì)胞中，生殖支原體具有最小基因組——只有525個基因，家喻戶曉的大腸桿菌大約含有4 000個基因。我們說一個細(xì)菌若想在外界紛繁復(fù)雜的環(huán)境中存活下來，通常會保留很多具備不同功能的基因來應(yīng)對環(huán)境變化。相比之下，生活在動物宿主體內(nèi)吃喝不愁的支原體，在漫長的演化歷程中，摒棄了一些毫無用武之地的基因。支原體去其糟粕，取其精華，簡化再簡化。正是因為如此，它注定成為科學(xué)家探索生命形式的靈感源泉與理想模型。這一次支原體身披的光環(huán)覆蓋住了陰影，當(dāng)之無愧地成為極簡生命體的贏家。

接過造物主手中的權(quán)杖

還記得瑪麗雪萊的科幻小說《弗林肯斯坦》嗎？書中描述科學(xué)家弗林肯斯坦為追求和利用當(dāng)時的生物學(xué)知識，將死尸身上不同的器官和組織拼成一個人體，并利用雷電賦予它生命。盡管現(xiàn)實生活中，沒有一個科學(xué)家可以這樣制造出一個人類。但為了從造物主手中接過權(quán)杖，實現(xiàn)創(chuàng)造生命的夢想，人類從未停止探索的腳步。

上世紀(jì)80年代，哈羅德·莫洛維茲提出了一個對當(dāng)時的分子生物學(xué)而言異想天開的計劃，研究地球上最小的單細(xì)胞生物體——支原體。如何開展研究？最大的難題莫過于如何解碼這種細(xì)菌的完整基因序列，生物的基因組就好比一份系統(tǒng)軟件，基因測序技術(shù)的發(fā)展使人們能夠解讀生命演化出的種種“代碼”。DNA被視為生命的藍圖，遺傳密碼是用DNA的4個堿基A、C、G和T按照一定順序進行編碼的，這些堿基序列構(gòu)成了20種氨基酸（用于合成蛋白質(zhì)）的遺傳指令，從此分子生物學(xué)有了自己的編碼規(guī)則。只要能看懂這份藍圖并破譯遺傳信息，人類就能了解生命運作的所有道理。莫洛維茲論證說，只要基因組足夠小，分析就是可能的。然而，由于測序技術(shù)上的瓶頸，在上世紀(jì) 80 年代，科學(xué)家若想解讀支原體的整個基因組，的確是一個很大的挑戰(zhàn)。

最小細(xì)菌誕生記

辛西婭1.0：第一個人造細(xì)胞的誕生

2010年，被稱為生物學(xué)界“壞小子”的克雷格·文特爾帶領(lǐng)他的團隊以絲狀支原體的基因組作為模板，以計算機龐大的數(shù)據(jù)庫為依托，用化學(xué)方法合成出一整套支原體的基因組，將它移植到去除了DNA的山羊支原體細(xì)胞內(nèi)，這套含有人工合成基因組的細(xì)胞存活下來，起名為辛西婭。它就是辛西婭1.0，擁有901個基因。文特爾說“這是地球上第一個父母是電腦卻可以進行自我復(fù)制的物種?！?/p>

辛西婭2.0：歷練重生

辛西婭1.0誕生后沒多久，文特爾等人就開始投入到簡化辛西婭1.0“代碼”的工作中。

辛西婭要想輕裝上陣，文特爾就必須弄清楚哪些基因?qū)π廖鲖I是必需的。于是，文特爾的團隊設(shè)計了一個巧妙的實驗，隨機往辛西婭1.0上的基因插入 轉(zhuǎn)座子 ，打亂辛西婭1.0的“代碼”，然后將處理后的辛西婭菌株培養(yǎng)40代，最終收集得到的菌落，分別進行測序。轉(zhuǎn)座子是什么，又是如何發(fā)揮作用的呢？還記得《西游記》中，如來佛祖為了鎮(zhèn)壓悟空，在五行山上貼了一道符，從那時起，孫悟空的法力盡失。其實，基因和轉(zhuǎn)座子的關(guān)系就好比孫悟空和五行山上的這道符，只要轉(zhuǎn)座子在，基因就無法發(fā)揮功能。

接下來，文特爾團隊將處理后的辛西婭基因分為3類，即必需基因，非必需基因，半必需基因。定義“必需基因”的標(biāo)準(zhǔn)是這種基因?qū)π廖鲖I不可或缺；“非必需基因”是指這種基因可有可無，無關(guān)辛西婭的存亡?！鞍氡匦杌颉笔侵笡]有這種基因辛西婭不會死，但會影響生長。

也許你以為只要留下必需基因，刪掉其他基因，辛西婭2.0不就大功告成了嗎？其實不然，生命并不是簡單的加減法。比如1個細(xì)菌攜帶了2個基因——甲和乙，它們負(fù)責(zé)調(diào)控的生命活動相同。倘若兩方中的一方不在了，剩下的一方就會恪盡職守，完成自己的使命，在這種情況下，甲或乙很容易被定義為非必需基因。當(dāng)甲和乙同時被剔除，細(xì)菌的生命活動將終止。解決了以上問題，辛西婭2.0終于問世了。

辛西婭3.0：極簡生命

然而，文特爾和他的同事并沒有沉浸在辛西婭2.0取得的成績中。在辛西婭2.0遺傳背景下，那些曾經(jīng)被分類為“半必需”的基因成為了非必需基因，團隊開始更進一步的精簡篩選。最終，他們成功得到了辛西婭3.0，一個僅含有473個基因的人造細(xì)胞。

辛西婭3.0并不是終結(jié)者，相信文特爾團隊會不斷為我們帶來驚喜，開啟人類對生命認(rèn)知的新篇章。