細胞通常被稱為生命的基本結構，也正是這一稱呼讓很多人誤以為細胞是一種非常簡單的結構。事實上，細胞的機構非常複雜，其中數以萬計的基因以及胞質中無數小分子和細胞器如何協調以執行基本的生命功能維持生命，到現在人類也沒有弄清楚其中的機制。

以前，生物學的研究始終致力於自上而下，即細胞組成和基因如何作用，其功能如何。而現在，生物學技術的進步可以使研究人員採用自下而上的策略，重建細胞生物過程，即所謂的人工細胞合成。

而現在，這一努力終於取得了重要突破。近日，來自美國 J。 Craig Venter 研究所（JCVI），美國國家標準與技術研究院（NIST）以及麻省理工學院（MIT）的研究人員合作，

該研究於 2021 年 3 月 29 日線上發表在頂級期刊《細胞》雜誌。

對此，本文共同作者，NIST 細胞工程小組負責人，Elizabeth Strychalski 教授表示，

圖 | JCVI-syn3A 合成細胞在光學顯微鏡下生長和分裂的過程（來源：

在化學領域，一旦化學家確定了某一新化合物的化學結構，下一步的關鍵就是嘗試人工合成該化學物質，並證明合成物質和天然物質具有相同功能。然而，此前，這一模式在生物學上從未實現。雖然，人類以及確定了 DNA 的結構和排列順序，但從來沒有人獨立合成並驗證過這其功能。

2003 年，人類基因組計劃提前結束，基因組科學進一步發展，人類對於生物世界的探索更進一步。透過 A、T、G、C 四個字母的順序，人們可以輕鬆閱讀各種生命的遺傳密碼。那麼，在此基礎上，人類能否更進一步，人工合成相關基因並激活其功能呢？

2010 年，來自 JCVI 的研究人員，在 Craig Venter、Hamilton Smith 以及 Clyde Hutchison 博士的帶領下，終於邁出了關鍵的一步。他們利用支原體，透過人工破壞支原體的 DNA，並用人工合成的 DNA 替代，

第一個人工合成基因組細胞的建立並不容易，這一工作耗費了 JCVI 研究所 20 多名科研人員近 15 年的時間。期間，他們開發了大量的新技術和新工具來構建遺傳密碼，並學習如何移植基因組，將一個物種變為另一物種。據悉，首個人工合成細胞的基因組由 108 萬個鹼基組成，是當時實驗室合成最大的化學結構。

隨後，科學家們便一直努力將該人工合成的細胞最佳化，儘可能降低其鹼基數目，並嘗試全人工合成細胞。直到 2016 年，JCVI 的研究人員在 Craig Venter 博士等人的帶領下，

不過，即便只有 473 個基因，該人工合成細胞依然能夠維持生命的基本活動，並具有自我複製能力。對於這一研究結果，Craig Venter 博士曾表示，“生命是如此複雜且神奇。事實上，哪怕是僅包含 473 個基因的如此簡單的細胞，我們依舊無法完全確定其每個基因的功能。顯然，生命是一曲交響樂，而不僅僅多個基因功能的組合”。

現在，人造細胞的合成已不再困難，只需 8 種成分：2 種蛋白、3 種緩衝劑、2 種脂肪和一些能量物質，就可以建立一個基本的類細胞結構。5 年前，研究人員雖然成功合成了人類歷史上最簡單的活細胞，但是，該細胞在生長和分裂時表現異常，產生的都是形狀和大小完全不同的細胞。

隨後，在 John Glass 博士的領導下，JCVI 的合成生物學小組花費了近 5 年時間，終於找到了 7 個基因，可以幫助調節細胞的增殖和生長。隨後，研究人員透過系統的新增和刪除基因，構建了數十種變異株，並觀察不同基因變化對於細胞生長和分裂的影響如何。

而在這一研究中，NIST 的作用就是透過顯微鏡觀察細胞生長和分裂。雖然，用顯微鏡觀察死細胞是一件非常容易的事情。但是，透過顯微鏡觀察活細胞則是一項艱鉅的挑戰。因為，在實驗中，活細胞非常小巧且很難被固定，輕微的撕扯都會對其造成致命損傷。

為了解決這個問題，NIST 細胞工程組負責人 Strychalski 博士和 MIT 的 James Pelletier，Andreas Mershin 和 Neil Gershenfeld 博士設計了一種微流控恆溫裝置。這一裝置可以協調微小細胞的運動，使其在光學顯微鏡下任意移動，並保持正常的生命活動。透過這一技術，

圖 | 合成 JCVIsyn3。0 在光學顯微鏡下生長和分裂

透過這一技術，研究人員最終發現，

圖 | 合成細胞 JCVI-syn3A 的圖示（來源：Emily Pelletier）

對此，Pelletier 博士表示，“

參考資料：