人工最小细胞:为医学研究创造足够的生命

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人工最小细胞:为医学研究创造足够的生命

人工最小细胞:为医学研究创造足够的生命

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科学家们将计算机建模、基因编辑和合成生物学相结合,为医学研究创造出完美的样本。
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      量子运行远见
    • 2022 年 12 月 23 日

    洞察总结

    为了探索生命的本质,科学家们一直在减少基因组以创造最小的细胞,揭示生命所需的核心功能。这些努力带来了意想不到的发现和挑战,例如不规则的细胞形状,促进了对遗传要素的进一步完善和理解。这项研究为合成生物学的进步铺平了道路,在药物开发、疾病研究和个性化医疗方面具有潜在的应用前景。

    人工最小细胞背景

    人工最小细胞或基因组最小化是一种实用的合成生物学方法,用于了解必需基因之间的相互作用如何引起重要的生理过程。基因组最小化使用了一种设计-构建-测试-学习方法,该方法依赖于模块化基因组片段的评估和组合以及来自转座子诱变(将基因从一个宿主转移到另一个宿主的过程)的信息来帮助指导基因删除。这种方法减少了寻找必需基因时的偏差,并为科学家提供了改变、重建和研究基因组及其作用的工具。

    2010年,美国克雷格文特尔研究所(JVCI)的科学家宣布,他们已经成功消除了山羊支原体细菌的DNA,并用基于另一种细菌蕈状支原体的计算机生成的DNA取而代之。该团队将他们的新有机体命名为 JCVI-syn1.0,简称“合成”。这种生物体是地球上第一个由计算机父母组成的自我复制物种。它的创建是为了帮助科学家从细胞开始理解生命是如何运作的。 

    2016年,该团队创建了JCVI-syn3.0,这是一种单细胞生物,其基因数量比任何其他已知的简单生命形式都要少(与JVCI-syn473的1.0个基因相比,只有901个基因)。然而,有机体以不可预测的方式行事。它没有产生健康的细胞,而是在自我复制过程中产生了形状奇怪的细胞。科学家们意识到他们从原始细胞中去除了太多基因,包括那些负责正常细胞分裂的基因。 

    破坏性影响

    麻省理工学院 (MIT) 和美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的生物物理学家决心寻找基因最少的健康有机体,于 3.0 年重新混合了 JCVI-syn2021 代码。他们能够创建一个新变体称为 JCVI-syn3A。尽管这种新细胞只有 500 个基因,但由于研究人员的工作,它的行为更像普通细胞。 

    科学家们正在努力进一步剥离细胞。 2021 年,一种名为 M. mycoides JCVI-syn3B 的新型合成生物进化了 300 天,证明它可以在不同情况下发生突变。生物工程师也乐观地认为,更加精简的有机体可以帮助科学家在最基本的层面上研究生命并了解疾病是如何发展的。

    2022 年,来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、JVCI 和德国德累斯顿工业大学的科学家团队创建了 JCVI-syn3A 的计算机模型。该模型可以准确预测现实生活中类似物的生长和分子结构。截至 2022 年,它是计算机模拟的最完整的全细胞模型。

    这些模拟可以提供有价值的信息。这些数据包括细胞周期内的新陈代谢、生长和遗传信息过程。该分析深入了解生命原理以及细胞如何消耗能量,包括氨基酸、核苷酸和离子的主动运输。随着最小细胞研究的不断发展,科学家们可以创建更好的合成生物学系统,用于开发药物、研究疾病和发现基因疗法。

    人造最小细胞的意义

    人造最小细胞开发的更广泛影响可能包括: 

    • 更多的全球合作,创造用于研究的精简但功能齐全的生命系统。
    • 增加机器学习和计算机建模的使用来绘制生物结构,例如血细胞和蛋白质。
    • 先进的合成生物学和机器有机体混合体,包括片上人体和活体机器人。然而,这些实验可能会受到一些科学家的道德投诉。
    • 一些生物技术和生物制药公司大力投资合成生物学项目,以加快药物和治疗的开发。
    • 随着科学家更多地了解基因以及如何操纵基因,基因编辑领域的创新和发现不断增加。
    • 加强生物技术研究监管,确保道德实践,维护科学诚信和公众信任。
    • 以合成生物学和人工生命形式为重点的新教育和培训计划的出现,为下一代科学家提供专业技能。
    • 将医疗保健策略转向个性化医疗,利用人造细胞和合成生物学进行定制治疗和诊断。

    需要考虑的问题

    • 如果您在合成生物学领域工作,最小细胞还有哪些其他好处?
    • 组织和机构如何共同努力推进合成生物学?

    洞察参考

    此见解引用了以下流行和机构链接: