合成生物學(xué)領(lǐng)域不僅觀察和描述生命過(guò)程，而且模仿它們。生命的一個(gè)關(guān)鍵特征是復(fù)制能力，這意味著化學(xué)系統(tǒng)的維持。馬克斯·普朗克生物化學(xué)研究所(Martinsed)的科學(xué)家們創(chuàng)造了一個(gè)系統(tǒng)，它能夠再生自己的DNA和蛋白質(zhì)構(gòu)建塊的一部分。

在合成生物學(xué)領(lǐng)域，研究人員研究所謂的“自下而上”過(guò)程，這意味著從無(wú)生命的積木中產(chǎn)生模擬生命的系統(tǒng)。所有生物最基本的特征之一是保存和復(fù)制自己的獨(dú)特實(shí)體的能力。然而，人工的“自下而上”的方法來(lái)創(chuàng)建一個(gè)能夠自我復(fù)制的系統(tǒng)，是一個(gè)巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。科學(xué)家們第一次成功地克服了這一障礙，并合成了這樣一個(gè)系統(tǒng)。

Max Planck生物化學(xué)研究所的研究小組“仿生系統(tǒng)”的負(fù)責(zé)人Hannes Mutschler和他的團(tuán)隊(duì)致力于用“自下而上”的方法來(lái)模仿基因組和蛋白質(zhì)合成的復(fù)制。這兩種過(guò)程對(duì)于生物系統(tǒng)的自我保存和繁殖是至關(guān)重要的。研究人員現(xiàn)在成功地制造了一個(gè)體外系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，這兩個(gè)過(guò)程可以同時(shí)進(jìn)行。“我們的系統(tǒng)能夠再生其分子成分的很大一部分，”Mutschler解釋說(shuō)。

為了開(kāi)始這一過(guò)程，研究人員需要一本建筑手冊(cè)以及各種分子“機(jī)器”和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。翻譯成生物學(xué)術(shù)語(yǔ)，這意味著構(gòu)建手冊(cè)是DNA，它包含了生產(chǎn)蛋白質(zhì)的信息。蛋白質(zhì)通常被稱(chēng)為“分子機(jī)器”，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常充當(dāng)催化劑，加速生物體的生化反應(yīng)。DNA的基本組成部分是所謂的核苷酸。蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的。

施工手冊(cè)的模塊化結(jié)構(gòu)

具體來(lái)說(shuō)，研究人員優(yōu)化了一個(gè)基于DNA藍(lán)圖合成蛋白質(zhì)的體外表達(dá)系統(tǒng)。由于一些改進(jìn)，體外表達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)在能夠非常有效地合成蛋白質(zhì)，稱(chēng)為DNA聚合酶。這些DNA聚合酶然后用核苷酸復(fù)制DNA。這項(xiàng)研究的第一作者凱·利比徹解釋說(shuō)：“與以前的研究不同，我們的系統(tǒng)能夠讀取和復(fù)制相對(duì)較長(zhǎng)的DNA基因組。

科學(xué)家們組裝了多達(dá)十一個(gè)環(huán)狀DNA片段的人工基因組。這種模塊化結(jié)構(gòu)使它們能夠很容易地插入或刪除某些DNA片段。研究人員復(fù)制的最大的模塊化基因組由116，000對(duì)堿基對(duì)組成，達(dá)到了非常簡(jiǎn)單的細(xì)胞的基因組長(zhǎng)度。

蛋白質(zhì)再生

除了編碼對(duì)DNA復(fù)制很重要的聚合酶外，人工基因組還包含進(jìn)一步蛋白質(zhì)的藍(lán)圖，例如來(lái)自大腸桿菌的30個(gè)翻譯因子。翻譯因子對(duì)于DNA藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的蛋白質(zhì)是非常重要的。因此，它們對(duì)于模仿生化過(guò)程的自我復(fù)制系統(tǒng)是必不可少的.為了證明新的體外表達(dá)系統(tǒng)不僅能夠復(fù)制DNA，而且能夠產(chǎn)生自身的翻譯因子，研究人員采用質(zhì)譜技術(shù)。用這種分析方法，他們確定了系統(tǒng)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的數(shù)量。

令人驚訝的是，有些翻譯因素在反應(yīng)后甚至比之前更多地存在。據(jù)研究人員稱(chēng)，這是朝著模仿生物過(guò)程的連續(xù)自我復(fù)制系統(tǒng)邁出的重要一步。

在未來(lái)，科學(xué)家們希望通過(guò)增加DNA片段來(lái)擴(kuò)展人工基因組。在與研究網(wǎng)絡(luò)MaxSynBio的同事合作下，他們希望生產(chǎn)一種能夠通過(guò)添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和處理廢物來(lái)保持活力的包封系統(tǒng)。例如，這樣一個(gè)極小的細(xì)胞就可以被用作生物技術(shù)中一種為天然物質(zhì)量身定做的生產(chǎn)機(jī)器，或者作為建立更復(fù)雜的類(lèi)似生命系統(tǒng)的平臺(tái)。