合成生物學(xué)重大突破 人工蛋白維持生命
日期：2011-01-10 19:44:16
近日普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家們首次成功地構(gòu)建了維持活細(xì)胞生長(zhǎng)的人造蛋白質(zhì)，這一開(kāi)創(chuàng)性的研究成果有可能在未來(lái)幫助科學(xué)家們構(gòu)建出新的生物系統(tǒng)。研究論文在線發(fā)表于1月4日的《公共科學(xué)圖書(shū)館》（PLoS ONE）期刊上。
在論文中普林斯頓的研究人員稱(chēng)他們構(gòu)建了自然界中前所未見(jiàn)的遺傳序列，并利用這些序列生成了可維持細(xì)胞生命的物質(zhì)?！氨M管這些物質(zhì)是通過(guò)人造基因表達(dá)出來(lái)的，但是研究結(jié)果表明這些物質(zhì)能夠在活體生物中很好地發(fā)揮作用，”研究的負(fù)責(zé)人，普林斯頓大學(xué)化學(xué)系教授Michael Hecht說(shuō)道：“這一研究向我們表明除了自然界中已經(jīng)存在的生物零件例如基因和蛋白質(zhì)，其他的分子物質(zhì)也可以用于裝配生命。”
合成生物學(xué)是近年來(lái)新興的一個(gè)研究領(lǐng)域，被譽(yù)為第四次科技浪潮中的弄潮兒。合成生物學(xué)的科學(xué)家們致力于設(shè)計(jì)和構(gòu)建自然界中并不存在的生物零件、組件和系統(tǒng)。從生命的最基本元素開(kāi)始，其最終目標(biāo)是構(gòu)建出人工的生命系統(tǒng)。
“我們的研究代表著合成生物學(xué)領(lǐng)域的又一個(gè)重大突破，它表明構(gòu)建出能維持細(xì)胞生命的人造基因組是完全可以實(shí)現(xiàn)的，”Hecht說(shuō)：“過(guò)去幾乎所有合成生物學(xué)的研究都集中于將自然生物系統(tǒng)中現(xiàn)有的、天然存在的生物元件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改造。我們的研究結(jié)果表明不從自然界獲取，而是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的方式生成的大分子也能夠提供生物功能。“
基于他們?cè)谛卵芯恐腥〉玫某晒?，Hecht和學(xué)生們已開(kāi)始著手在分子水平上對(duì)一些生物進(jìn)程展開(kāi)研究，以確定哪些生物進(jìn)程在基礎(chǔ)水平上推動(dòng)了蛋白質(zhì)的常規(guī)折疊，以及某些關(guān)鍵序列在生存中發(fā)揮重要作用的原因。
“蛋白質(zhì)是生物體功能最重要的執(zhí)行者，而氨基酸則是組成蛋白質(zhì)最基本的物質(zhì)。盡管參與蛋白質(zhì)合成的氨基酸只有20多種，但是自然界的蛋白質(zhì)卻種類(lèi)繁多。隨著氨基酸種類(lèi)、數(shù)量和排列次序的不同，每一種組合生成的都是一種獨(dú)特的蛋白質(zhì)。假設(shè)一個(gè)蛋白質(zhì)是由100個(gè)氨基酸組成，我們知道大部分蛋白質(zhì)遠(yuǎn)比這更長(zhǎng)，那么就有可能產(chǎn)生天文數(shù)字的不同的蛋白質(zhì)序列，”Hecht說(shuō)：“而我們知道人類(lèi)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)種類(lèi)僅有大約10萬(wàn)種，這些蛋白質(zhì)是如何進(jìn)化產(chǎn)生的？這些特異的蛋白質(zhì)特殊在何處？我們是否有機(jī)會(huì)獲得更多的、未進(jìn)化產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，并證實(shí)它們也能同樣極好地發(fā)揮功能？”
在新研究中Hecht和他的研究小組著手構(gòu)建了自然界未見(jiàn)的遺傳序列，并以此生成了人造蛋白質(zhì)。此外他們還設(shè)計(jì)了大約100萬(wàn)種氨基酸序列，以用于折疊形成具有穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。
“這些人造基因編碼的信息與自然基因的信息完全不同或者說(shuō)是毫不相關(guān)，然而我們卻以此獲得了活的功能性的微生物，這是多么有趣的事情啊，”論文的共同作者M(jìn)ichael Fisher說(shuō)道。
研究小組在成功獲得一系列新的人造蛋白質(zhì)后，緊接著研究人員將這些蛋白質(zhì)導(dǎo)入到天然基因敲除的各種突變細(xì)菌株中。在預(yù)定條件下例如有限的食物供應(yīng)，導(dǎo)入蛋白質(zhì)的突變細(xì)菌獲得了生存，而那些敲除基因的細(xì)菌則死亡了，這表明是人造蛋白維持了活細(xì)菌的生長(zhǎng)。
進(jìn)而科學(xué)家們又利用一系列的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了不同蛋白質(zhì)的作用，研究人員發(fā)現(xiàn)本應(yīng)死亡的幾種不同的細(xì)菌株在獲得實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的新蛋白質(zhì)后均存活了下來(lái)。
“這些人造蛋白質(zhì)與任何已知的功能序列毫不相干，然而它們卻能夠維持生命，”Hecht說(shuō)道：“這確實(shí)是非常令人興奮的結(jié)果，這同時(shí)標(biāo)志著合成生物學(xué)研究又向前邁出了重大的一步?！?/P>
