探索生命“边界”：活着，最少需要多少基因？

“人工最小细胞为我们划定生命的最低遗传配置，为理解生命本质、开展合成生物学研究提供重要实验模型。”在国际合成生物学大会科普开放日来临之际，山东师范大学生命科学学院副教授李庆超表示，国内外科研团队持续开展最小基因组相关研究，不断探索生命的基因下限。

最小基因组研究，旨在找到维持细胞独立生存必不可少的一套核心基因，是合成生物学领域的重要方向。研究对象主要以支原体这类天然基因组就极度精简的原核生物为基础，代表人工细胞JCVI‑syn3.0，是目前人工构建出基因数量最少的可自主复制细胞。

根据公开科研统计数据，人类细胞拥有约2.1万个基因，大肠杆菌约4000个基因；天然自主复制的支原体生殖支原体拥有475个基因；而人工合成的JCVI‑syn3.0仅保留473个基因，比天然支原体基因数量还要少。在473个必需基因中，仍有约三分之一基因的具体生物学功能尚未被人类完全破译，成为生命科学的待解谜题。

“病毒携带基因数量极少，但无法独立完成代谢增殖，必须依赖宿主细胞，不能算作独立生命。”李庆超介绍，长久以来科学家一直在追问：一个可以独立存活、自我复制的细胞，最少需要多少基因。早期理论推算认为仅需200多个基因，可实际人工构建实验证明，真实的生命下限远高于理论预测值。

“天然简约的支原体大多是寄生生物，需要宿主提供大量营养物质。即便如此，想要维持细胞复制、物质代谢、遗传信息传递，依旧需要数百个基因协同工作。”李庆超告诉记者，“单纯依靠生物信息学比对筛选基因存在局限，很多必需基因的功能我们至今尚不了解，这也是最小基因组研究最大的难点。”

人工最小细胞技术有望帮助人类解析生命底层逻辑，也为定制化工程细胞打下基础。“最小细胞研究的原理，是以天然支原体基因组为蓝本，逐步删减非必需基因，将化学合成的精简基因组导入去除原有DNA的受体细胞内，筛选出能够正常生长分裂的人工细胞，以此确定维持生命的核心基因集合。”李庆超说。

目前最小基因组研究主要有两条研究路径：一是自上而下，对天然微生物基因组不断删减，得到精简人工细胞，JCVI‑syn3.0就属于这一类；二是自下而上，直接用化学物质从头组装整套生命系统，该路径目前还处在实验室探索阶段。

美国J.克雷格·文特尔研究所率先完成JCVI‑syn1.0、JCVI‑syn3.0两代人工细胞构建，在国际上引发广泛关注。国内多家高校与科研院所也在开展最小基因组与合成细胞相关研究。“目前国内研究团队已经在支原体、大肠杆菌等模式生物上开展基因组精简工作，获得多套精简菌株，部分菌株已经用于代谢产物合成的基础研究。”李庆超提到。

自2010年首例人工合成基因组细胞诞生之后，十余年间科研人员持续优化最小细胞。“现有JCVI‑syn3.0最小细胞，只能在营养极其丰富的实验室培养基条件下存活，生长分裂速度慢，脱离优良环境就无法生存。”李庆超说。

李庆超告诉记者，当前最小细胞依旧存在诸多局限：现有最小细胞高度依赖富营养培养环境，无法适应自然环境；大量必需基因功能未知；细胞分裂形态时常出现异常。“未来，还需要持续解析未知必需基因的功能，优化人工细胞的环境适应性，推动最小细胞从实验室基础研究走向实际应用。”

来源：CICC科普栏目

链接：https://it.sohu.com/a/981467229_358040

作者：赵丛政、李庆超（山东师范大学）