日本科學(xué)家創(chuàng)首個(gè)細(xì)胞外自主復(fù)制人工基因組DNA，有望培育自主增殖的人工細(xì)胞

1972 年，保羅?伯格（Paul Berg）利用限制性內(nèi)切酶和 DNA 連接酶，結(jié)合猴病毒 SV40 和 λ 噬菌體的 DNA，創(chuàng)建了第一個(gè)重組 DNA 分子。

1973 年，赫伯特?博耶（Herbert W. Boyer）和斯坦利?科恩（Stanley Cohen）把伯格的工作進(jìn)了一步，他們從大腸桿菌里取出兩種不同的質(zhì)粒，把這兩種質(zhì)粒中含有的分別對(duì)抗不同的****物的抗****基因 “裁剪” 下來，再把這兩個(gè)基因 “拼接” 成一個(gè)新的質(zhì)粒，將 “雜合質(zhì)粒” 導(dǎo)入大腸桿菌，這種大腸桿菌就能抵抗兩種****物了，而且這種大腸桿菌的后代都具有雙重抗****性，這表示 “雜合質(zhì)粒” 在大腸桿菌的細(xì)胞分裂時(shí)也能自我復(fù)制了，這標(biāo)志著基因工程的首次勝利。

然而脫離生物體，人工分子系統(tǒng)在體外很難繁殖和發(fā)育。

為了開發(fā)能夠復(fù)制和進(jìn)化的人工分子系統(tǒng)，DNA 編碼的信息（基因）必須被翻譯成 RNA，蛋白質(zhì)必須被表達(dá)，這些蛋白質(zhì)的 DNA 復(fù)制周期必須在系統(tǒng)中持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間?？茖W(xué)家們一直想創(chuàng)造出一種反應(yīng)系統(tǒng)，在這種反應(yīng)系統(tǒng)中，DNA 復(fù)制所必需的基因得以表達(dá)，同時(shí)這些基因也在執(zhí)行它們的功能。

近日，日本東京大學(xué)的科學(xué)家首次在細(xì)胞外成功地從 DNA 中誘導(dǎo)了基因表達(dá)，這是所有生命的特征，并使用無細(xì)胞材料（如核酸和蛋白質(zhì)）在細(xì)胞外進(jìn)行連續(xù)復(fù)制，該研究結(jié)果發(fā)表在 ACS Synthetic Biology 雜志上。

本研究由 JST（日本政府為振興科學(xué)技術(shù)設(shè)立的國(guó)立研究開發(fā)法人機(jī)構(gòu)）下 “大規(guī)?；蚪M合成與細(xì)胞編程” 研究領(lǐng)域 “自我再生人工基因組復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯系統(tǒng)的開發(fā)” 項(xiàng)目研究主任 Norikazu Ichihashi 教授領(lǐng)導(dǎo)。

該團(tuán)隊(duì)成功地將這些基因翻譯成蛋白質(zhì)，并使用一個(gè)帶有 DNA 復(fù)制所必需的兩個(gè)基因的環(huán)狀 DNA（人工基因組 DNA）和一個(gè)無細(xì)胞轉(zhuǎn)錄 - 翻譯系統(tǒng)，用翻譯后的蛋白質(zhì)促進(jìn)了原始的環(huán)狀 DNA 的復(fù)制。

研究團(tuán)隊(duì)利用在水中形成油滴，以作為細(xì)胞外人工合成環(huán)狀 DNA 合成的環(huán)境。環(huán)狀 DNA 為閉鎖構(gòu)造的 DNA，這種形式 DNA 在細(xì)菌中廣泛出現(xiàn)，其中最具代表性的是質(zhì)粒（plasmid），其基因數(shù)量少多在 100 個(gè)以內(nèi)，便利操作的特性使其大量被應(yīng)用于生物技術(shù)上。

此項(xiàng)人工合成技術(shù)所運(yùn)用的原始環(huán)狀 DNA，帶有 DNA 聚合酶 phi29、以及 Cre 重組酵素片段，油滴作用環(huán)境中上述兩種酵素可被活化，啟動(dòng)環(huán)狀 DNA 自行復(fù)制，并且 DNA 轉(zhuǎn)錄所需的酵素也可在過程中產(chǎn)出。

結(jié)果顯示，相較原始的環(huán)狀 DNA 片段，60 天后生成的 DNA 已累積一些突變片段，帶來的基因表現(xiàn)改變包含：DNA 聚合酶活性提升、Cre 重組酵素對(duì)聚合酶的抑制能力降低，這些因素成功地將 DNA 復(fù)制效率提高 10 倍。

研究指出，雖然現(xiàn)在的人工基因組 DNA 中只搭載了 DNA 復(fù)制所需的 2 個(gè)基因，但可以通過導(dǎo)入其他基因來擴(kuò)展人工基因組 DNA 所具有的功能。例如，由于現(xiàn)在放在無細(xì)胞翻譯系統(tǒng)中的 RNA 和蛋白質(zhì)也能從基因組 DNA 中表達(dá)，今后，如果載有轉(zhuǎn)錄翻譯所需的所有基因，只需提供氨基酸和堿基等低分子化合物，就可以發(fā)展成自主增殖的人工分子系統(tǒng)，導(dǎo)入膜合成基因的話，有可能產(chǎn)生細(xì)胞膜。

如果以本研究開發(fā)的人工基因組 DNA 為核心，則可以期待構(gòu)建出自主增殖的人工細(xì)胞，一旦形成這種自主增殖的人工分子系統(tǒng)，現(xiàn)在依賴生物的醫(yī)****品開發(fā)和食品生產(chǎn)等可以被這種系統(tǒng)所取代。生物雖然結(jié)實(shí)穩(wěn)定，但是不能方便人類，另外生物的工作原理中還留有很多黑匣子，因此使用生物制造總是有限制。

另一方面，如果是人工建造的分子系統(tǒng)，則只包含必要的要素，全部可以用已知的物質(zhì)制作，所以設(shè)計(jì)和控制變得容易。將來，通過使用這樣的人工系統(tǒng)，期待能夠更穩(wěn)定地控制目前使用生物的有用物質(zhì)的生產(chǎn)。

參考資料：

• https://thetimeshub.in/biologists-create-the-first-artificial-genomic-dna

• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.1c00430

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