宫⽥诚(Makoto Miyata)如今已经是⽇本⼤阪⼤学的教授,在⼩时候,他曾经很喜欢摆弄收⾳机和电⼦⾳响。现在的他对摆弄东⻄的兴趣只增不减,但作为⼀名细胞⽣物学家,他摆弄的对象变⼩了很多。近⽇,在⼀篇发表于《科学》(Science)杂志的论⽂中,宫⽥诚的研究团队通过调整迄今最⼩的⼈造⽣命体的基因组,使这个⽣命体能够⾃⼰运动。
这项发现也展现了,只需要添加极少的基因序列,就有可能促使地球早期的细胞开始运动。
很多科学家⼀直致⼒于了解最早的⾃然细胞是如何发展出运动能⼒的。⼀些类似的研究通常会使⽤螺原体属(Spiroplasma)的⼀些⽀原体:这些单细胞的螺旋形寄⽣微⽣物可以通过简单的弯曲、伸展和形状变化来运动,不像很多其他的细菌需要借助⼀些专⻔的附属物,例如鞭⽑。科学家已经确定,螺原体中有7个可能的基因来帮助它们运动,但通过实验来证实这些基因的确切作⽤是⼀项很⼤的挑战。
该团队将⽬光投向了⼀种名为JCVI-syn3.0(简称syn3.0)的⼈造细胞,它由J. 克雷格·⽂特尔研究所(J. Craig Venter Institute)的研究⼈员在2016年创造,仅依靠473个基因就能存活和复制,是迄今具有最⼩基因组和最少基因数量的⽣命体——相⽐之下,⼈类有超过2万个基因。不过这些⼈造细胞⽆法移动。
宫⽥诚和同事将螺原体中7个和运动相关的基因引⼊到了syn3.0细胞中。他清晰地记得在显微镜下看到了这些本来静⽌的细胞“跳舞”的画⾯,其中有⼀半改变了形状,⽽有⼀些“游泳”的细胞甚⾄变成了扭曲的螺旋状,就像螺原体⼀样。
宫⽥诚曾经设想过创造⼀种能移动的⼈造细胞,但当梦想成真时,他仍然觉得“令⼈相当惊讶”。
美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)的细胞⼯程师伊丽莎⽩·A. 斯特哈尔斯基(Elizabeth A. Strychalski,未参与这项研究)表示,宫⽥诚并不是唯⼀对此感到震惊的⼈。
在这项研究发布前,她参加过关于这项研究的⼀次报告会,她说:“当看到这些⽣物游泳的视频,以及它们的形状如何变化时,你可以感受到⼤家集体倒吸了⼀⼝凉⽓。”
宫⽥诚的研究团队发现,只需引⼊7个基因中的2个,就⾜以让syn3.0产⽣类似螺原体的运动。斯特哈尔斯基指出,通过类似的DNA插⼊技术,其他研究⼈员也曾将⽔⺟的荧光基因插⼊到猫胚胎的基因组中,创造出了⼀些会发光的家猫。不过,很少有⼈曾预料到类似的操作能在⼀些⼈⼯细胞中发挥作⽤。她说,我认为这个实验“⾮常⼤胆”,“⽽且它的成功能极⼤地激励和振奋该领域的其他研究⼈员”。
虽然很难想象在数⼗亿年前的地球上,触发早期细胞第⼀次运动的条件是什么,但这项研究表明,在细胞中,即使是⼀些微⼩的基因组变化也能带来质的⻜跃。这项研究也会对未来的研究产⽣较⼤的影响,斯特哈尔斯基说:“有朝⼀⽇,⼈类或许可以精⼼设计可移动的⼈造细胞,并⽤它来寻找⼈体内的污染物、病原体甚⾄癌细胞。”