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人工最小細胞：為醫學研究創造足夠的生命

科學家們將計算機建模、基因編輯和合成生物學相結合，為醫學研究創造出完美的樣本。

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量子運行遠見
2022 年 12 月 23 日

洞察總結

為了探索生命的本質，科學家一直在減少基因組以創造最小的細胞，揭示生命所需的核心功能。這些努力帶來了意想不到的發現和挑戰，例如不規則的細胞形狀，促進了對遺傳要素的進一步完善和理解。這項研究為合成生物學的進步鋪平了道路，在藥物開發、疾病研究和個人化醫療方面具有潛在的應用前景。

人工最小細胞上下文

人工最小細胞或基因組最小化是一種實用的合成生物學方法，用於了解必需基因之間的相互作用如何產生重要的生理過程。基因組最小化使用了一種設計-構建-測試-學習方法，該方法依賴於模塊化基因組片段和來自轉座子誘變（將基因從一個宿主轉移到另一個宿主的過程）的信息的評估和組合，以幫助指導基因缺失。這種方法減少了尋找必需基因時的偏差，並為科學家提供了改變、重建和研究基因組及其作用的工具。

2010 年，美國 J. Craig Venter Institute (JVCI) 的科學家宣布，他們已成功去除細菌 Mycoplasma capricolum 的 DNA，並用計算機生成的基於另一種細菌 Mycoplasma mycoides 的 DNA 取而代之。該團隊將他們的新生物命名為 JCVI-syn1.0，簡稱“合成”。這種有機體是地球上第一個由計算機父母組成的自我複制物種。它的創建是為了幫助科學家從細胞開始了解生命是如何運作的。

2016 年，該團隊創建了 JCVI-syn3.0，這是一種單細胞生物，其基因數量比任何其他已知的簡單生命形式都少（只有 473 個基因，而 JVCI-syn1.0 有 901 個基因）。然而，有機體以不可預知的方式行事。它沒有產生健康的細胞，而是在自我複製過程中產生了奇形怪狀的細胞。科學家們意識到他們從原始細胞中去除了太多基因，包括那些負責正常細胞分裂的基因。

破壞性影響

麻省理工學院 (MIT) 和美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的生物物理學家決心找到基因盡可能少的健康生物體，他們在 3.0 年重新混合了 JCVI-syn2021 代碼。他們能夠創建一個稱為 JCVI-syn3A 的新變體。儘管這個新細胞只有 500 個基因，但由於研究人員的工作，它的行為更像一個普通細胞。

科學家們正在努力進一步剝離細胞。 2021 年，一種名為 M. mycoides JCVI-syn3B 的新型合成生物進化了 300 天，證明它可以在不同情況下發生變異。生物工程師也樂觀地認為，更精簡的生物體可以幫助科學家在最基本的層面上研究生命，並了解疾病是如何發展的。

2022 年，來自伊利諾伊大學香檳分校、JVCI 和德國德累斯頓工業大學的一組科學家創建了 JCVI-syn3A 的計算機模型。該模型可以準確預測其真實模擬物的生長和分子結構。截至 2022 年，它是計算機模擬的最完整的全細胞模型。

這些模擬可以提供有價值的信息。這些數據包括細胞週期內的新陳代謝、生長和遺傳信息過程。該分析提供了對生命原理以及細胞如何消耗能量的洞察力，包括氨基酸、核苷酸和離子的主動運輸。隨著最小細胞研究的不斷發展，科學家們可以創建更好的合成生物學系統，用於開發藥物、研究疾病和發現基因療法。