2010年，世界上第一例“人造生命”问世。科学家们挑选了一种名为支原体（mycoplasma）的微生物，摧毁了其中的DNA，然后引入了在实验室设计与合成的DNA，从而制造出了基因组完全由人工合成的细胞。2016年，经过不断优化条件，研究人员将这些人造细胞里的基因数量大幅减少，从支原体原有的901条削减到了493条，创造出了基因组最小的已知自主生物体，是合成生物学领域的一大突破，也被誉为重要的科学里程碑。由于基因组中的所有基因只编码细胞独立生长所必需的基本基因，这些人工合成细胞也被称为最小细胞（minimal cell）。2021年，在进一步优化其中的几个关键基因后，最小细胞还“学会”了像天然细胞那样正常分裂。▲合成基因组的支原体只有不到500个基因（图片来源：参考资料[2]；Credit：Tom Deerinck & Mark Ellisman / National Center for Imaging and Microscopy Research at UCSD）细胞是最简单的生命功能单位，以这些基因组极简化的人工细胞为模型，科学家们希望可以理解生命的运行模式。日前，在顶尖学术期刊《自然》上，研究人员用这种极为简单的人造细胞揭示了生物演化的强大力量，证明了自然选择在最简单的自主生物体中也有使其快速优化适应性的力量。负责这项研究的演化生物学家Jay Lennon教授解释说，由于最小细胞的基因组中每个基因都是必不可缺的，任何突变都可能对细胞功能发生致命破坏，一般认为留给基因突变的余地很少，这可能会限制其进化。然而，实际结果令人惊讶。研究人员在实验室环境中培养这些细胞，并允许它们自由生长和分裂。经过300天后——相当于细菌2000个世代或人类演化40000年，研究人员分析发现，最小细胞实际上具有极高的突变率。▲电镜下放大15000倍的一团最小细胞（图片来源：参考资料[2]；Credit：Tom Deerinck & Mark Ellisman / National Center for Imaging and Microscopy Research at UCSD）接着，研究人员把演化了300天后的最小细胞、未经演化的最小细胞株以及没有精简过的合成支原体细胞等量放入试管中进行竞争测试。理论上，更适合环境的菌株会更占优势，成为更常见的菌株。因此，不难理解未经精简过的非最小细胞很容易胜过最小细胞。但实验结果同时显示，演化了300天的最小细胞有更好的表现。经过传代后，最小细胞有效地恢复了因为基因组精简而失去的适应性。“看来有些与生命有关的东西真的非常强悍。”Lennon教授说，“我们能把它极度精简，但无法阻挡演化发挥作用。”在这项研究中，科学家们还找出了演化过程中变化最大的一些基因，其中一些基因参与了细胞表面的构建，但还有几个基因的功能还没有得到阐明，留给后续进一步研究。研究人员指出，弄清楚具有最小基因组的生物体如何克服演化挑战，将对一系列长期存在的生物学问题带来启发，包括临床病原体的治疗、宿主相关内共生体的持久性、工程微生物的改进以及生命本身的起源。参考资料：
[1] R. Z. Moger-Reischer et al., (2023) Evolution of a minimal cell. Nature Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06288-x
[2] Artificial cells demonstrate that 'life finds a way'. Retrieved July 5, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/994249
[3] John I. Glass et al., (2017) Minimal Cells—Real and Imagined. Cold Spring Harb Perspect Biol. Doi: 10.1101/cshperspect.a023861
[4] James F. Pelletier et al., (2021), Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell,Cell, DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.008
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