世界上已知的生物的所有基因组序列都存储在属于美国国家生物技术信息中心的数据库中。截至今天，该数据库还有一个额外的条目：Caulobacter ethensis-2.0。它是世界上第一个完全由计算机生成的生物体基因组，由苏黎世联邦理工学院的科学家开发。然而，必须强调的是，尽管C.thehensis-2.0的基因组是以非常大的DNA分子的形式物理产生的，但是相应的生物体尚不存在。.
C. ethensis-2.0基于一种经过充分研究和无害的淡水细菌Caulobacter crescentus的基因组，Caulobactercrescentus是一种天然存在的细菌，存在于全球的泉水，河流和湖泊中。它不会引起任何疾病。C. crescentus也是研究实验室中常用于研究细菌生命的模式生物。该细菌的基因组包含4,000个基因。科学家此前证明，这些基因中只有约680个对实验室物种的存活至关重要。具有该最小基因组的细菌在实验室条件下是可行的。
苏黎世联邦理工学院实验系统生物学教授Beat Christen和他的兄弟，苏黎世联邦理工学院的化学家Matthias Christen将C. crescentus的最小基因组作为起点。他们开始从头开始化学合成这个基因组，作为一个连续的环状染色体。这项任务以前被视为真正的旅程：根据媒体报道，美国遗传学先驱克雷格文特十一年前提出的化学合成细菌基因组是20位科学家十年工作的结果。据说该项目的费用总计为4,000万美元。
合理化生产过程
虽然Venter的团队制作了天然基因组的精确副本，但苏黎世联邦理工学院的研究人员使用计算机算法彻底改变了他们的基因组。他们的动机是双重的：一，使生产基因组更加容易，另一个是解决生物学的基本问题。
为了创建像细菌基因组一样大的DNA分子，科学家必须一步一步地进行。在Caulobacter基因组的情况下，苏黎世联邦理工学院的科学家合成了236个基因组片段，然后将它们拼凑在一起。“这些细分的合成并不总是那么简单，”Matthias Christen解释道。“DNA分子不仅具有粘附其他DNA分子的能力，而且依赖于序列，它们还可以将自身扭曲成环状和结，这可能妨碍生产过程或使制造变得不可能，”Matthias Christen解释说。
简化的DNA序列
为了以最简单的方式合成基因组片段，然后以最流线型的方式拼凑所有片段，科学家从根本上简化了基因组序列，而没有修改实际的遗传信息(在蛋白质水平)。由于生物学具有用于存储遗传信息的内置冗余，因此简化基因组有足够的自由度。例如，对于许多蛋白质组分(氨基酸)，将其信息写入DNA有两种，四种甚至更多种可能性。
由苏黎世联邦理工学院的科学家开发的算法充分利用了这种遗传密码的冗余。使用这种算法，研究人员计算出理想的DNA序列，用于合成和构建基因组，最终用于他们的工作。
因此，科学家们对最小基因组进行了许多小的修改，然而，这些修改完全令人印象深刻：人工基因组中80万个DNA字母的六分之一被替换，与“自然”最小基因组。“通过我们的算法，我们将基因组完全重写为一个新的DNA字母序列，不再像原始序列那样。但是，蛋白质水平的生物学功能保持不变，”Beat Christen说。
石蕊试验遗传学
从生物学的角度来看，重写的基因组也很有趣。“我们的方法是一个试金石测试，看看我们生物学家是否正确理解了遗传学，它使我们能够突出我们知识中可能存在的差距，”Beat Christen解释道。当然，重写的基因组只能包含研究人员实际理解的信息。位于DNA序列中的可能的“隐藏的”附加信息，在科学家尚未理解的情况下，在创建新代码的过程中将丢失。
出于研究目的，科学家们生产的细菌菌株既含有天然存在的Caulobacter基因组，也含有新的人工基因组片段。通过关闭这些细菌中的某些天然基因，研究人员能够测试人工基因的功能。他们在多步骤过程中测试了每个人工基因。
在这些实验中，研究人员发现680个人工基因中只有约580个是功能性的。“凭借我们获得的知识，我们可以改进我们的算法并开发一个功能齐全的基因组3.0版，”Beat Christen说。
生物技术的巨大潜力
“即使当前版本的基因组还不完善，我们的工作仍然表明，生物系统的构建方式非常简单，以后我们将能够根据我们的目标在计算机上制定设计规范。 ，然后建立它们，“马蒂亚斯克里斯滕说。这可以通过相对简单的方式实现，正如Beat Christen所强调的那样：“Craig Venter的方法需要十年时间，我们的小团队在一年的时间内使用我们的新技术实现，制造成本为120,000瑞士法郎。”
“我们相信很快就有可能生产出具有这种基因组的功能性细菌细胞，”Beat Christen说。这样的发展将具有巨大的潜力。在可能的未来应用中，例如可以在生物技术中用于生产复杂的药物活性分子或维生素的合成微生物。该技术可普遍用于所有微生物，而不仅仅是Caulobacter。另一种可能性是DNA疫苗的生产。
“尽管研究结果和可能的应用可能是有希望的，但他们要求社会深入讨论可以使用这种技术的目的，同时还要考虑如何防止滥用，”Beat Christen说。目前尚不清楚何时会产生第一个带有人工基因组的细菌 - 但现在很明显它可以并且将会被开发出来。“我们必须利用我们在科学家之间以及整个社会进行深入讨论的时间。我们随时准备为我们所拥有的所有专业知识做出贡献。”
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