科学家制造出「稳定」的半合成有机体

由美国斯克里普斯研究所领导的一个研究小组近日宣布，他们通过优化人工碱基等途径，制造出「稳定」的半合成有机体，对未来的生物医疗开发具有重要意义，也朝着创造新生命形式迈出重要一步。

「我们让这个半合成有机体更加像生命，」负责这项研究的斯克里普斯研究所教授弗洛伊德·罗梅斯伯格２３日在一份声明中说。研究发表于美国《国家科学院学报》上。

自然界生命多姿多彩，但所有这些生命的遗传物质仅由４个碱基构成，分别是腺嘌呤（Ａ）、胸腺嘧啶（Ｔ）、胞嘧啶（Ｃ）和鸟嘌呤（Ｇ），其中Ａ与Ｔ，Ｃ与Ｇ分别配对。

２０１４年，罗梅斯伯格等人宣布，他们制造出两个相配对的人工碱基Ｘ与Ｙ，并将这个新的碱基对成功插入大肠杆菌的ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）中，制造出第一个半合成有机体。

人工碱基研究被美国《科学》杂志评为２０１４年十大科学突破之一。但不足在于，所制造的半合成有机体生长缓慢，而且非自然碱基Ｘ与Ｙ无法永久性传递下去，会随着细胞的分裂很快消失。

罗梅斯伯格等人介绍了新研究的三大改进。首先，他们优化了所使用的核苷酸转运工具，加快了大肠杆菌的生长速度，并在分裂时容易保留碱基Ｘ与Ｙ；第二，人工碱基Ｙ获得优化，更容易在ＤＮＡ复制过程中被合成ＤＮＡ分子的酶识别，从而让细胞更容易复制人工碱基对；第三，研究人员利用最新基因编辑工具ＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９开发了一个查错工具，它会把不含Ｘ与Ｙ碱基对的基因序列视为外来入侵者，这样不含Ｘ与Ｙ碱基的细胞将被销毁。

实验结果显示，优化后的半合成有机体细胞分裂６０次后依然保持有Ｘ与Ｙ碱基。罗梅斯伯格据此认为，他们的改进措施让半合成有机体细胞在分裂过程中能无限保留两个人工碱基。

他强调，这项工作使用的是单细胞生物，而不是更复杂的有机体。所制造的半合成有机体的实际应用目前还是零，只能用来存储基因信息，但将来可用于帮助创造单细胞有机体的新功能，从而在新药研发等方面发挥重要作用。

研究人员在论文中写道，这项工作是创造具有完全非自然属性与特征的有机体工作的一个起点，稳定的半合成有机体「可能为实现合成生物学的中心目标奠定基础，即创造新的生命形式与功能」。

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科学家用干细胞制出人猪嵌合体胚胎

科学家将人类细胞注入猪囊胚。图片来源：Juan Carlos Izpisua Belmonte

近日，美国索尔克生物研究所科学家首次成功培育出人猪嵌合体胚胎，相关论文刊登于《细胞》杂志。人与动物嵌合体胚胎将能帮助模拟认识许多人类遗传疾病的早期起病过程，并实施药物测试。目前，新人猪嵌合体正帮助科学家了解人类干细胞的生长和分化。

「该研究的最终目标是在动物体内培育出可供移植的人类细胞、组织和器官。但我们距离这还很远。」该研究负责人Juan Carlos Izpisua Belmonte说，「无论如何，这是干细胞研究领域的一个里程碑，我们迈出了重要第一步。」

在该研究中，Izpisua Belmonte和同事吴军利用「基因剪刀」CRISPR技术，删除猪胚胎内形成器官的关键基因，创造遗传「空位」。之后，研究人员把人类诱导多能干细胞注入猪胚胎内。诱导多能干细胞从人类体细胞中直接获得，具有与胚胎干细胞一样分化为各类细胞的能力。

该团队将人体干细胞分别植入1500多个猪囊胚。在植入猪体内后，这些囊胚经过21天到28天发育，有186个依然存活，其中不同状态的诱导多能干细胞在猪胚胎中形成「不等程度的嵌合」。这些干细胞来自40位捐献者，其中包括养猪农。

由于猪与人类的进化距离较远，且该动物妊娠期的长度约为人类的1/3，因此研究人员需要在合适时间注入人类细胞，以匹配猪的发育阶段。

此外，研究人员还使用了3种不同状态的人体干细胞，即最初的原始态、已发育但仍有分化潜能的始发态以及处于两者之间的中间态，以检验哪种细胞能更好存活。结果显示，中间态多能干细胞最适合形成嵌合体，而始发态则无法形成嵌合体。

而且，在嵌合体中，人类细胞所占比例很低。Izpisua Belmonte认为这是个好消息，因为人们对人猪嵌合体的一大担忧是它可能会太像人，包括人类细胞对猪的大脑发育产生影响。

在该研究中，人类细胞发育成了肌肉细胞和其他组织器官的前体细胞，而不是脑细胞的前体细胞。「现在我们想知道的是‘是与否’的问题，即人类细胞能否作出贡献。既然我们得到了‘是’的答案，下一个挑战就是提高效率，引导人类细胞在猪体内形成特定器官。」Izpisua Belmonte说。