日本科学家创首个细胞外自主复制人工基因组DNA，有望培育自主增殖的人工细胞

1972 年，保罗・伯格（Paul Berg）利用限制性内切酶和 DNA 连接酶，结合猴病毒 SV40 和 λ 噬菌体的 DNA，创建了第一个重组 DNA 分子。

1973 年，赫伯特・博耶（Herbert W. Boyer）和斯坦利・科恩（Stanley Cohen）把伯格的工作进了一步，他们从大肠杆菌里取出两种不同的质粒，把这两种质粒中含有的分别对抗不同的****物的抗****基因 “裁剪” 下来，再把这两个基因 “拼接” 成一个新的质粒，将 “杂合质粒” 导入大肠杆菌，这种大肠杆菌就能抵抗两种****物了，而且这种大肠杆菌的后代都具有双重抗****性，这表示 “杂合质粒” 在大肠杆菌的细胞分裂时也能自我复制了，这标志着基因工程的首次胜利。

然而脱离生物体，人工分子系统在体外很难繁殖和发育。

为了开发能够复制和进化的人工分子系统，DNA 编码的信息（基因）必须被翻译成 RNA，蛋白质必须被表达，这些蛋白质的 DNA 复制周期必须在系统中持续很长一段时间。科学家们一直想创造出一种反应系统，在这种反应系统中，DNA 复制所必需的基因得以表达，同时这些基因也在执行它们的功能。

近日，日本东京大学的科学家首次在细胞外成功地从 DNA 中诱导了基因表达，这是所有生命的特征，并使用无细胞材料（如核酸和蛋白质）在细胞外进行连续复制，该研究结果发表在 ACS Synthetic Biology 杂志上。

本研究由 JST（日本政府为振兴科学技术设立的国立研究开发法人机构）下 “大规模基因组合成与细胞编程” 研究领域 “自我再生人工基因组复制转录翻译系统的开发” 项目研究主任 Norikazu Ichihashi 教授领导。

该团队成功地将这些基因翻译成蛋白质，并使用一个带有 DNA 复制所必需的两个基因的环状 DNA（人工基因组 DNA）和一个无细胞转录 - 翻译系统，用翻译后的蛋白质促进了原始的环状 DNA 的复制。

研究团队利用在水中形成油滴，以作为细胞外人工合成环状 DNA 合成的环境。环状 DNA 为闭锁构造的 DNA，这种形式 DNA 在细菌中广泛出现，其中最具代表性的是质粒（plasmid），其基因数量少多在 100 个以内，便利操作的特性使其大量被应用于生物技术上。

此项人工合成技术所运用的原始环状 DNA，带有 DNA 聚合酶 phi29、以及 Cre 重组酵素片段，油滴作用环境中上述两种酵素可被活化，启动环状 DNA 自行复制，并且 DNA 转录所需的酵素也可在过程中产出。

结果显示，相较原始的环状 DNA 片段，60 天后生成的 DNA 已累积一些突变片段，带来的基因表现改变包含：DNA 聚合酶活性提升、Cre 重组酵素对聚合酶的抑制能力降低，这些因素成功地将 DNA 复制效率提高 10 倍。

研究指出，虽然现在的人工基因组 DNA 中只搭载了 DNA 复制所需的 2 个基因，但可以通过导入其他基因来扩展人工基因组 DNA 所具有的功能。例如，由于现在放在无细胞翻译系统中的 RNA 和蛋白质也能从基因组 DNA 中表达，今后，如果载有转录翻译所需的所有基因，只需提供氨基酸和碱基等低分子化合物，就可以发展成自主增殖的人工分子系统，导入膜合成基因的话，有可能产生细胞膜。

如果以本研究开发的人工基因组 DNA 为核心，则可以期待构建出自主增殖的人工细胞，一旦形成这种自主增殖的人工分子系统，现在依赖生物的医****品开发和食品生产等可以被这种系统所取代。生物虽然结实稳定，但是不能方便人类，另外生物的工作原理中还留有很多黑匣子，因此使用生物制造总是有限制。

另一方面，如果是人工建造的分子系统，则只包含必要的要素，全部可以用已知的物质制作，所以设计和控制变得容易。将来，通过使用这样的人工系统，期待能够更稳定地控制目前使用生物的有用物质的生产。

参考资料：

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

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

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