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科学家首次提出计算机生成的人工基因组

微管中的Caulobacter ethensis-2.0基因组。图片来源：ETH Zurich。

苏黎世联邦理工学院的研究人员展示了一种比以往更便宜，更快速生产基因组的新方法okmart.com。作者创造了第一个完全由计算机生成的基因组 - Caulobacter ethensis-2.0，其中尚未存在相应的生物。然而，基因组是物理生产的，并插入具有相似遗传物质的现有生物体中。

电脑和合成生活

2010年，J。Craig Venter研究所的研究人员报告了合成生物学的一个里程碑式的进步：第一个从头开始设计的细菌DNA。这是十多年辛勤工作和4000万美元投资的结晶。但是，尽管Craig Venter制造的细菌基因组是天然基因组的精确拷贝，苏黎世联邦理工学院的研究人员彻底改变了一种名为Caulobacter crescentus的模式生物的基因组。更重要的是，他们的研究跨越了一年的时间框架，成本低于50万美元，这表明合成生物学处于革命的边缘。

Caulobacter crescentus 是一种无害的淡水细菌，其基因组已被广泛研究。先前的研究表明，在细菌的4,000个基因中，只有约680个对实验室条件下生物体的存活至关重要。苏黎世联邦理工学院实验系统生物学教授Beat Christen和他的兄弟，苏黎世联邦理工学院的化学家Matthias Christen用这一最低限度的关键基因作为起点。

研究人员设计了一种计算机算法，扫描这种极低可行的天然基因组，并计算出合成和构建基因组的理想DNA序列。该算法取代了最小基因组中发现的所有800,000个DNA字母中的六分之一。

“通过我们的算法，我们将基因组完全重写为一个新的DNA字母序列，不再像原始序列那样。然而，蛋白质水平的生物学功能保持不变，“Beat Christen说。

艰难的部分才刚刚开始。接下来，研究人员不得不生产含有人工细菌基因组的DNA分子，这必须一步一步完成。研究人员合成了236个独立的基因组片段，然后他们必须将它们巧妙地拼凑在一起。

“这些细分的合成并不总是那么简单，”Matthias Christen解释道。“DNA分子不仅具有粘附其他DNA分子的能力，而且依赖于序列，它们还可以将自身扭曲成环状和结，这可能妨碍生产过程或使制造变得不可能，”Matthias Christen解释说。

Caulobacter crescentus的电子显微镜图像，一种生活在淡水中的无害细菌。 图片来源：ETH Zurich。Caulobacter crescentus的电子显微镜图像，一种生活在淡水中的无害细菌。图片来源：ETH Zurich。

作为一项实验，研究人员在实验室中制作了含有天然存在的Caulobacter基因组以及新人工基因组片段的细菌菌株。通过关闭细菌中的某些天然基因，研究人员能够测试先前引入的人工基因的功能。重写的基因组是通过一种算法设计的，该算法只能解析DNA序列时理解的信息。当然，还有科学家尚未理解的DNA序列，这在创建新代码的过程中可能会丢失。

“我们的方法是一个试金石测试，看看我们生物学家是否正确理解了遗传学，它使我们能够突出我们知识中可能存在的差距，”Beat Christen解释道。

这些实验表明，680个人工基因中只有580个是功能性的，这表明该算法需要调整才能让研究人员希望在3.0版本中实现真正的功能基因组。

虽然这个版本并不完美，但新的研究表明现代技术如何简化人工DNA合成。谁知道：未来科学家可能最终创造出能够满足各种生物技术应用的合成生物。例如，定制的细菌可用于生产药物或DNA疫苗的活性分子。

“我们相信很快就有可能生产出具有这种基因组的功能性细菌细胞，”Beat Christen说。

“尽管研究结果和可能的应用可能是有希望的，但他们要求社会深入讨论可以使用这项技术的目的，同时还要考虑如何防止滥用，”他补充说。目前尚不清楚何时会产生第一个带有人工基因组的细菌 - 但现在很明显它可以并且将会被开发出来。“我们必须利用我们的时间进行科学家之间以及整个社会的深入讨论。我们随时准备为我们所拥有的所有专业知识做出贡献。“

该研究结果发表在“ 美国国家科学院院刊”上。

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