最小细菌：减法诠释生命

潘婧

人类曾经与其他动物一样——衣不蔽体，食不充饥，四处漂泊，一不留神还会成为其他掠食者的盘中餐。然而，我们的祖先并不满足现状，他们不断地探索着这个星球，改写着人类史。正如尼尔·阿姆斯特朗在首次踏上月球时说“这是我个人的一小步，却是人类的一大步”，人类逐渐取代其他动物坐稳食物链顶端的这把交椅，仿佛成为了“上帝”。近日，克雷格·文特尔和他的团队以丝状支原体的基因组为模板，创造出了人造细胞——辛西娅，又将在人类科学史上留下重重一笔。

极简生命体的赢家——支原体

支原体第一次名扬海外，与疾病脱不了干系。19 世纪时，人们第一次注意到支原体，它们不像其他微生物具有细胞壁禁锢自己，由于只有细胞膜，它们变得自由随意。支原体作为最小的原核生物却不容小觑，它具有致病性，宿主很多，对人和动植物都不放过。最令人头疼的是，小小的支原体对绝大多数抗生素都具有耐药性，人类尝试许多办法均无济于事。

几十年后，人类对支原体的认识发生了改变，在所有可自我复制的细胞中，生殖支原体具有最小基因组——只有525个基因，家喻户晓的大肠杆菌大约含有4 000个基因。我们说一个细菌若想在外界纷繁复杂的环境中存活下来，通常会保留很多具备不同功能的基因来应对环境变化。相比之下，生活在动物宿主体内吃喝不愁的支原体，在漫长的演化历程中，摒弃了一些毫无用武之地的基因。支原体去其糟粕，取其精华，简化再简化。正是因为如此，它注定成为科学家探索生命形式的灵感源泉与理想模型。这一次支原体身披的光环覆盖住了阴影，当之无愧地成为极简生命体的赢家。

接过造物主手中的权杖

还记得玛丽雪莱的科幻小说《弗林肯斯坦》吗？书中描述科学家弗林肯斯坦为追求和利用当时的生物学知识，将死尸身上不同的器官和组织拼成一个人体，并利用雷电赋予它生命。尽管现实生活中，没有一个科学家可以这样制造出一个人类。但为了从造物主手中接过权杖，实现创造生命的梦想，人类从未停止探索的脚步。

上世纪80年代，哈罗德·莫洛维兹提出了一个对当时的分子生物学而言异想天开的计划，研究地球上最小的单细胞生物体——支原体。如何开展研究？最大的难题莫过于如何解码这种细菌的完整基因序列，生物的基因组就好比一份系统软件，基因测序技术的发展使人们能够解读生命演化出的种种“代码”。DNA被视为生命的蓝图，遗传密码是用DNA的4个碱基A、C、G和T按照一定顺序进行编码的，这些碱基序列构成了20种氨基酸（用于合成蛋白质）的遗传指令，从此分子生物学有了自己的编码规则。只要能看懂这份蓝图并破译遗传信息，人类就能了解生命运作的所有道理。莫洛维兹论证说，只要基因组足够小，分析就是可能的。然而，由于测序技术上的瓶颈，在上世纪 80 年代，科学家若想解读支原体的整个基因组，的确是一个很大的挑战。

最小细菌诞生记

辛西娅1.0：第一个人造细胞的诞生

2010年，被称为生物学界“坏小子”的克雷格·文特尔带领他的团队以丝状支原体的基因组作为模板，以计算机庞大的数据库为依托，用化学方法合成出一整套支原体的基因组，将它移植到去除了DNA的山羊支原体细胞内，这套含有人工合成基因组的细胞存活下来，起名为辛西娅。它就是辛西娅1.0，拥有901个基因。文特尔说“这是地球上第一个父母是电脑却可以进行自我复制的物种。”

辛西娅2.0：历练重生

辛西娅1.0诞生后没多久，文特尔等人就开始投入到简化辛西娅1.0“代码”的工作中。

辛西娅要想轻装上阵，文特尔就必须弄清楚哪些基因对辛西娅是必需的。于是，文特尔的团队设计了一个巧妙的实验，随机往辛西娅1.0上的基因插入 转座子 ，打乱辛西娅1.0的“代码”，然后将处理后的辛西娅菌株培养40代，最终收集得到的菌落，分别进行测序。转座子是什么，又是如何发挥作用的呢？还记得《西游记》中，如来佛祖为了镇压悟空，在五行山上贴了一道符，从那时起，孙悟空的法力尽失。其实，基因和转座子的关系就好比孙悟空和五行山上的这道符，只要转座子在，基因就无法发挥功能。

接下来，文特尔团队将处理后的辛西娅基因分为3类，即必需基因，非必需基因，半必需基因。定义“必需基因”的标准是这种基因对辛西娅不可或缺；“非必需基因”是指这种基因可有可无，无关辛西娅的存亡。“半必需基因”是指没有这种基因辛西娅不会死，但会影响生长。

也许你以为只要留下必需基因，删掉其他基因，辛西娅2.0不就大功告成了吗？其实不然，生命并不是简单的加减法。比如1个细菌携带了2个基因——甲和乙，它们负责调控的生命活动相同。倘若两方中的一方不在了，剩下的一方就会恪尽职守，完成自己的使命，在这种情况下，甲或乙很容易被定义为非必需基因。当甲和乙同时被剔除，细菌的生命活动将终止。解决了以上问题，辛西娅2.0终于问世了。

辛西娅3.0：极简生命

然而，文特尔和他的同事并没有沉浸在辛西娅2.0取得的成绩中。在辛西娅2.0遗传背景下，那些曾经被分类为“半必需”的基因成为了非必需基因，团队开始更进一步的精简筛选。最终，他们成功得到了辛西娅3.0，一个仅含有473个基因的人造细胞。

辛西娅3.0并不是终结者，相信文特尔团队会不断为我们带来惊喜，开启人类对生命认知的新篇章。