大腸桿菌(圖:MPI f. Developmental Biology/ Jürgen Berger)

合成生物學(synthetic biology)的領域不僅只有觀察及描述生命過程,也包含模仿生命的過程。生命的一個關鍵特徵就是複製能力,這樣才能維持一個化學系統。德國馬克思普朗克生化研究所(Max Planck Institute of Biochemistry)的科學家製造出一個系統,能再生其自身的 DNA 以及蛋白質組塊。

體外自我複製系統

所有生命有機體最基本的特徵之一就是能保存並自我繁衍產生不同的實體。在合成生物學的領域中,研究人員正研究由無生命的組塊來產生模仿生命的系統。然而,以人造方式產生可自我複製的系統是實驗的大挑戰。最近,科學家首次成功克服困難,合成了一個能自我複製的系統。

馬克思普朗克生化研究所「仿生系統」研究團隊的負責人漢內斯·慕旭勒博士(Hannes Mutschler)及團隊成員致力於使用「基層法」(bottom-up approach)來模仿基因組的複製及蛋白質的合成。這兩個過程都是生物系統自我保護和繁殖的基礎。研究人員現在成功製造一個體外系統,其中兩個過程都能同時發生。慕旭勒博士表示:「我們的系統能再生自身分子成分的一大部分。」

人造 DNA 模組

為了開始此過程,研究人員需要的是 DNA 藍圖、各種蛋白質及養分。DNA 藍圖當中包含了產生蛋白質的資訊。蛋白質常被稱為「分子機器」,因為它們經常作為催化劑,能加速有機體中的生化反應。DNA 的基本組成是核苷酸(nucleotide),而蛋白質的基本組成則是胺基酸(amino acid)。

研究人員最佳化能藉由 DNA 來合成蛋白質的體外系統。經過一些改善後,此體外系統現在能非常有效率地合成蛋白質,也就是 DNA 聚合酶(polymerase)。這些 DNA 聚合酶接著會使用核甘酸來複製 DNA。此研究的第一作者凱·利比薛(Kai Libicher)表示:「與以前的研究不同,我們的系統能解讀並複製相對較長的 DNA 基因組。」

科學家從多達 11 個環狀 DNA 片段中組裝成人工基因組。這種模組化結構讓科學家能輕易插入或移除特定的 DNA 片段。研究人員在研究中複製的最大基因組模組包含了超過 116,000 組鹼基對(base pair),讓基因組長度達到簡單細胞的長度。

產生蛋白質

除了編碼對於 DNA 複製很重要的聚合酶之外,人工基因組還包含其他蛋白質的編碼基因,例如來自大腸桿菌(Escherichia coli)的 30 組轉譯因子(translation factor)。轉譯因子是對 DNA 編碼基因轉譯成相應蛋白質上的重要物質。因此,它們對於自我複製系統來說非常重要。為了證明新的體外系統不僅能複製 DNA,也能產生自己的轉譯因子,研究人員使用了質譜分析法(mass spectrometry)。藉由這種分析方法,研究人員可決定系統產生蛋白質的數量。

未來,科學家想要藉由其他的 DNA 片段來延伸人工基因組。在與該機構 MaxSynBio 研究計畫的科學家合作之下,研究人員希望可以製造一種封閉系統,該系統能藉由增加養分和排除廢物來維持生存。如此以來,如此微小的細胞就可以用於生物技術上,作為生產自然物質的客製機器,或是作為製造更複雜仿生系統的平台。

參考資料:

  1. Max Planck Society, (2020, February 17). Reproductive genome from the laboratory. Phys. Org
  2. Libicher, K. et al., In vitro self-replication and multicistronic expression of large synthetic genomes. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-020-14694-2
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