基因组移植让“僵尸细胞”死而复生

研究人员通过将一种细菌的完整活性基因组替换掉失效DNA，成功让“死亡”的细菌细胞复活。近日发表于预印本平台bioRxiv的这一成果，有望推动微生物生命重设计研究——通过将完整基因组移植入细菌，赋予其制造药物、生物燃料等实用特性。

这些山羊支原体细胞已吸收亲缘物种丝状支原体的工程化基因组。图片来源：Thomas Deerinck, NCMIR/SPL

此类基因转移目前仅在同一纲的细菌物种间实现，若研究人员能常规制备其他细菌的“僵尸细胞”，该方法便可用于测试来自更常见研究对象的改造后基因组，如实验室常用的大肠杆菌。

“这篇论文是合成生物学基因组工程领域的重大突破。”法国国家农业、食品与环境研究院（INRAE）及巴黎萨克雷大学的合成生物学家Olivier Borkowski说。

15年前，研究人员化学合成了丝状支原体110万碱基对的基因组，并将其移植入亲缘关系较近的山羊支原体活细胞中，制造出首个所谓的合成细胞。

该团队在合成的丝状支原体基因组中插入了抗四环素基因。这意味着，将该基因组植入山羊支原体后，在含四环素的环境中培养受体细胞，只有成功吸收合成基因组的细胞才能存活，以此验证实验成功。

2016年的一项研究成功在柔膜菌纲的细菌物种间完成基因组移植。美国克雷格·文特尔研究所的合成生物学家、论文合著者John Glass表示，此前试图在更广范围开展基因组移植的尝试均告失败。其他细菌的所谓“成功案例”最终被证实为假阳性，原因是受体细胞基因组可通过同源重组过程整合抗生素抗性基因——即便未吸收完整供体基因组，受体细胞仍能存活。15 年前的实验中山羊支原体未出现假阳性，正是因为其不具备这种重组能力。

为找到一种无需担忧假阳性的基因组移植方法，Glass及其团队使受体细胞基因组失活，令细胞无法复制，即实现功能性死亡。这同时阻止了受体基因组通过重组整合抗性基因等外源DNA。研究团队使用可损伤DNA的化疗药物“丝裂霉素C”处理山羊支原体，制造出这类“死亡”细胞。

当工程化丝状支原体基因组被移植入经丝裂霉素C处理的山羊支原体细胞后，一小部分受体细胞得以存活。“这些细胞本注定死亡，我们却赋予了它们生命。”论文合著者、克雷格?文特尔研究所的合成生物学家Zumra Peksaglam Seidel说。她与同事在这篇尚未经过同行评审的预印本中，将这些存活细胞命名为“僵尸细胞”。该团队以山羊支原体完成概念验证，希望这一方法能适配其他细菌。

美国国家标准与技术研究院的计量学家、论文合著者Elizabeth Strychalski表示，研究人员尚未完全厘清为何无论是否使用僵尸受体，基因组移植在支原体物种间都效果显著。但找到这一答案，是优化该技术并将其应用于其他微生物的关键。

英国帝国理工学院的合成生物学家Tom Ellis期待研究人员最终能培育出其他细菌的僵尸细胞。但他同时指出，或许存在无需依赖抗生素抗性基因这类易引发假阳性的筛选标记，就能确认大片段DNA转入受体细菌的方法。为确保合成序列被吸收，Ellis团队利用CRISPR基因编辑系统，对拟替换的受体DNA序列进行切割。Glass团队也认可CRISPR可用于沉默受体细胞中引发问题的基因，如参与同源重组的基因。

Borkowski表示，从进化角度看，混合匹配不同细菌的基因组与“细胞底盘”，探究哪些组合可行、哪些不可行，将极具研究价值。他补充道，基因组缺失的僵尸细胞还可用于测试人工智能工具设计的微生物基因组功能。“若能在大肠杆菌或其他模式生物中建立稳定的僵尸细胞实验方案，该方法或将成为合成生物学的通用平台技术。”