日本科學家創首個細胞外自主復制人工基因組DNA，有望培育自主增殖的人工細胞

1972 年，保羅?伯格（Paul Berg）利用限制性內切酶和 DNA 連接酶，結合猴病毒 SV40 和 λ 噬菌體的 DNA，創建了第一個重組 DNA 分子。

1973 年，赫伯特?博耶（Herbert W. Boyer）和斯坦利?科恩（Stanley Cohen）把伯格的工作進了一步，他們從大腸桿菌里取出兩種不同的質粒，把這兩種質粒中含有的分別對抗不同的****物的抗****基因 “裁剪” 下來，再把這兩個基因 “拼接” 成一個新的質粒，將 “雜合質粒” 導入大腸桿菌，這種大腸桿菌就能抵抗兩種****物了，而且這種大腸桿菌的后代都具有雙重抗****性，這表示 “雜合質粒” 在大腸桿菌的細胞分裂時也能自我復制了，這標志著基因工程的首次勝利。

然而脫離生物體，人工分子系統在體外很難繁殖和發育。

為了開發能夠復制和進化的人工分子系統，DNA 編碼的信息（基因）必須被翻譯成 RNA，蛋白質必須被表達，這些蛋白質的 DNA 復制周期必須在系統中持續很長一段時間。科學家們一直想創造出一種反應系統，在這種反應系統中，DNA 復制所必需的基因得以表達，同時這些基因也在執行它們的功能。

近日，日本東京大學的科學家首次在細胞外成功地從 DNA 中誘導了基因表達，這是所有生命的特征，并使用無細胞材料（如核酸和蛋白質）在細胞外進行連續復制，該研究結果發表在 ACS Synthetic Biology 雜志上。

本研究由 JST（日本政府為振興科學技術設立的國立研究開發法人機構）下 “大規模基因組合成與細胞編程” 研究領域 “自我再生人工基因組復制轉錄翻譯系統的開發” 項目研究主任 Norikazu Ichihashi 教授領導。

該團隊成功地將這些基因翻譯成蛋白質，并使用一個帶有 DNA 復制所必需的兩個基因的環狀 DNA（人工基因組 DNA）和一個無細胞轉錄 - 翻譯系統，用翻譯后的蛋白質促進了原始的環狀 DNA 的復制。

研究團隊利用在水中形成油滴，以作為細胞外人工合成環狀 DNA 合成的環境。環狀 DNA 為閉鎖構造的 DNA，這種形式 DNA 在細菌中廣泛出現，其中最具代表性的是質粒（plasmid），其基因數量少多在 100 個以內，便利操作的特性使其大量被應用于生物技術上。

此項人工合成技術所運用的原始環狀 DNA，帶有 DNA 聚合酶 phi29、以及 Cre 重組酵素片段，油滴作用環境中上述兩種酵素可被活化，啟動環狀 DNA 自行復制，并且 DNA 轉錄所需的酵素也可在過程中產出。

結果顯示，相較原始的環狀 DNA 片段，60 天后生成的 DNA 已累積一些突變片段，帶來的基因表現改變包含：DNA 聚合酶活性提升、Cre 重組酵素對聚合酶的抑制能力降低，這些因素成功地將 DNA 復制效率提高 10 倍。

研究指出，雖然現在的人工基因組 DNA 中只搭載了 DNA 復制所需的 2 個基因，但可以通過導入其他基因來擴展人工基因組 DNA 所具有的功能。例如，由于現在放在無細胞翻譯系統中的 RNA 和蛋白質也能從基因組 DNA 中表達，今后，如果載有轉錄翻譯所需的所有基因，只需提供氨基酸和堿基等低分子化合物，就可以發展成自主增殖的人工分子系統，導入膜合成基因的話，有可能產生細胞膜。

如果以本研究開發的人工基因組 DNA 為核心，則可以期待構建出自主增殖的人工細胞，一旦形成這種自主增殖的人工分子系統，現在依賴生物的醫****品開發和食品生產等可以被這種系統所取代。生物雖然結實穩定，但是不能方便人類，另外生物的工作原理中還留有很多黑匣子，因此使用生物制造總是有限制。

另一方面，如果是人工建造的分子系統，則只包含必要的要素，全部可以用已知的物質制作，所以設計和控制變得容易。將來，通過使用這樣的人工系統，期待能夠更穩定地控制目前使用生物的有用物質的生產。

參考資料：

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

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

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