逆天改命,合成基因組

孔子曰:知其不可為而為之。

如果基因組代表了你的所有遺傳信息,那麼一旦你的基因組發生改變,你的命運,甚至你的整個人都會發生徹底改變。

逆天改命,聽起來像某些周易大師做的事情。

不過,我今天說得是,如何科學的逆天改命。

也就是全人工合成基因組,從而實現對生命的人為操縱。

人工合成基因組的開創者是Craig Venter,如果你看過我之前的精選書單的話,其中《生命的未來》就是他的傑作。

Craig Venter絕對是一個牛人,第一次名聲鵲起是人類基因組計劃。一個人獨挑整個生物學界,鳥槍法測序速度實在太快,碾壓其餘測序機構。最後各國政府不得不屈服,選擇與之合作。一代梟雄,於2003年,開創組學時代,從此生物信息學有了用武之地。

你以為這就是結局麼?

不,這個精力旺盛的老頭,組建了Venter研究所(J. Craig Venter Institute),知其不可為而為之,開始進行生命的創造,這之前可是上帝的工作。

當然,Venter不是要創造弗蘭肯斯坦,他可能想過,不過難度太大。我們先定一個小目標。既然基因組是所有遺傳信息的載體。當然要挑基因組最小的物種來搞。

支原體(Mycoplasma genitalium),是當時已知自然界基因組最小的能獨立生活的細胞生物,只有583 kb。Venter認為支原體的基因組還可以進一步減少,從而包含最小基因組(Minimal Genome )的支原體。

逆天改命,合成基因組

當然雖然是小目標,工作量依然很龐大。

首先要解決三大問題:

第一,化學合成的基因組如何組裝回去?

第二,化學合成的基因組如何掌控宿主細胞?

第三,最小的基因組究竟有多小?

沉默了六年,Venter再次出手。2008年JCVI-syn1.0版本橫空出世,解決了第一個問題,基因組組裝問題。發表於Science雜誌題目為Complete chemical synthesis, assembly, and cloning of a Mycoplasma genitalium genome。

逆天改命,合成基因組

方法並不難,就是同源重組。

先分割成5-7kb的DNA片段,總共分了101段。

當時其中的重複工作量極大,工作過程極為枯燥。

這需要多大的耐心啊。

果然那句名言是對的,科學是美麗的,研究科學是痛苦的。

第二個問題相對簡單,所以從1.0到2.0版本只用了兩年。2010年,依然是Science題為Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome 。

解決了合成基因組的住房問題。原理也很簡單,就跟轉一個質粒一樣,把基因組給轉進去。然後利用抗性篩選,把自然的基因組給踢出去,鳩佔鵲巢,合成的基因組就有房子住了。

但是JCVI-syn3.0版本,整整等了六年。原因無他:工作量實在太大。

syn3.0完美地為這個project畫上了句號,起於Science,最後也終結於Science,發表題為Design and synthesis of a minimal bacterial genome。解決最後一個問題,合成最小基因組。

讓我們來看一看,一個細胞要想獨立活下來其基因組至少需要531 kb長的序列和473個必需基因。

逆天改命,合成基因組

基因信息表達佔比41%(主要跟基因的轉錄和翻譯相關)

基因組信息保存佔比7%(主要跟基因組的穩定性和複製相關)

膜結構與功能佔比18%(主要跟細胞膜有關)

胞質代謝佔比17%(主要是蛋白和小分子的修飾和降解相關)

未知功能佔比17%(未知代表著希望。)

科研民工們,想想其實挺不容易的,

沒有你們日復一日的勞作,單調乏味的重複,就沒有合成生物學的今天。

這麼多基因一個一個敲下去,一個一個合成下去,再一個一個組裝上去,最終造就了JCVI-syn3.0

JCVI-syn3.0是盡頭了麼?

逆天改命,合成基因組

who knows?合成生物學,一切皆有可能。


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