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文特尔研究所的研究人员已经用合成基因组制成了第一个活细胞。
在马里兰州洛克维尔市的克雷格·文特尔(J.Craig VenterInstitute)研究所，技术员马丽(LiMa)以一个精确的动作，用移液管将一些樱桃红色的细菌细胞溶液，滴进一个装有脆弱的DNA环链的清液瓶中。这些环链是有史以来在实验室中合成的最大的DNA片段，每一个片段都可以控制一个细胞所有的正常功能。但是，这种DNA并非来自任何细菌，而是由科学家们用瓶装的化学品拼合起来的。他们最近开发的这一过程，第一次制造出了能够存活的合成细胞。马丽正在处理的一些细菌细胞，将在溶液中包围住合成基因组，然后进行复制，并在其控制下存活。
传统的基因工程是一个漫长的过程，基因需要一个一个地修改，常常要跨越连续几代的生物。这使得快速修改一个基因组成为一个艰巨的课题。但是，这项新开发的技术能让研究人员们在电脑上编辑基因组，减去或增加基因，就像在一个文件中剪贴一样。它更像是文字处理，而不像传统实验室涉及培养和筛选生物世代的工作，研究人员也可以将基因组“打印输出”，在某个时点，他们能够将结果(一个新基因组)移植到其他现有的细胞中去。这些步骤大大加快了工程过程，完成实验可能仅需要几个星期，而从前则要花费几个月甚至几年。
最终，研究人员希望，利用合成生物技术来设计出可以非常有效地生产疫苗、清洁燃料和其他产品的微生物。但是，研究人员无法做到凭空来制造新基因组，因为他们还不清楚哪些基因和基因网络，是维持生命和生产产品所必需的。“你在删除第一个基因时，细胞可能活下去；删除第二个基因，它却死了；然后，删除第三个，它又活过来。”丹尼尔吉布森(Daniei Gibson)说，他是该研究所的副教授。因此，文特尔的研究人员正在对一种自然发生的基因组序列进行试验。通过在不同的基因组中快速地删除和添加基因，他们希望能更多地了解基因组和细胞；通过将新基因组植入细胞，观察这些基因组能否正常工作。
遗传修订
整个过程从计算机开始，吉布森从中调出丝状支原体(Mycopiasmamycoides)细菌的基因组。它相对简单，仅有i078809个DNA碱基对，构成约900个基因(相比之下，大肠杆菌有4400个基因)。吉布森和他的同事们做了一些改动：从序列中删除了14个基因，并添加了一些其他基因。为创作一个水印来区分他们的生成物，吉布森和其同事制定了一个代码，可将英文转换成DNA四个字母的字母表，用它来修改基因组，并在其中嵌入了他们的名字、一个URL网址、几句话和一个E-mail地址。
然后，吉布森的小组使用软件将经标示后的基因组划分为1100个片段，每个片段大约1080个碱基对的长度——这个长度可以用DNA合成器经济地制作出来，DNA合成器是一台将瓶装溶液中的单个碱基对拼接在一起、成为DNA链的设备。最后，研究人员们借助酵母细胞，将这些片段缝合在一起，这是机器无法做到的。
吉布森在实验室中的一个冰箱前跪下，拿出12个塑料盒，每个盒中都包含96个小隔间，装满了电脑修改设计的DNA片段。他将这些放在长椅上，说：“这是整个基因组，共1100个片段。”吉布森用吸管按顺序提取了10个片段，并将它们添加到一个微小的塑料管里，再加入一些额外的DNA片段，以便于帮助将序列聚集在一起，形成一个环。接着，他又加入酵母细胞，这些细胞已经被处理过，使其能够缝合DNA片段。“每个酵母细胞都将这些DNA片段认作是它们自身染色体的一部分，认为它断了，”他说，“它希望把它们重新缝在一起。”研究人员们设计了DNA片段，使那些将要被连接到一起的片段一端有相匹配的序列。酵母通过匹配这些序列，将10个片段链接起来，产生含有10000个碱基对的DNA环。重复这一过程，可以将10000碱基对的序列链接成10万碱基对的基因组片段。在三次链接步骤之后，酵母就将整个合成基因组缝合在一起了。利用已有的方法，合成的基因组可以从酵母中提取出来。
处理这些提取出来的DNA，需要相当地谨慎：即使是一段很小的基因组，也含有大量的、脆弱的分子。“如果你不小心，它就会被打破成100个碎片。”吉布森说。如果将它悬浮在液体溶液中，DNA可以被轻微的液体流动所摧毁。因此，吉布森将基因组固定在琼脂糖中，这是一种由藻类衍生的凝胶，常用作微生物的培养基。由这种保护性颗粒封闭住，它们就可以被安全地保存，直到研究人员们准备好将其移植到受体细胞中。
微移植
在大楼的另一间实验室里，马丽制备好了将要接受新序列的细胞：一种叫做山羊支原体(Mycoplasmacapricolum)的细菌，它与合成基因组的来源物种有近亲关系。降解琼脂糖的酶将包含DNA的颗粒液化进一个试管，马丽拿出另一个试管，将细菌与氯化钙和聚乙二醇混合在一起，研究人员认为这种混合液可以使细胞表面可塑并具有黏性。现在，就看机会和稳健的操作了。马丽把一些细胞混合物吸入到包含合成基因组环的小瓶里。黏性细胞开始互相融合。为了在融合后保持其球形，它们必须从周围的溶液中吸收液体。在这种情况下，一些细胞(大约每10万中的一个)也吸收进合成基因组。其结果是一个超级细胞有三个基因组：一个合成的基因组和分别来自两个细胞的一个基因组。然后，超级细胞分裂成为三个小细胞，其中一个含有人工合成的基因组。
马丽将细胞溶液涂在培养片上，上面含有抗生素，只有含合成基因组的细胞可以耐受这个抗生素(在基因组编辑过程中，研究人员加入一个基因，使它们不被抗生素渗透)。这些细胞将会存活、成长，并在新的基因组控制下进行分裂。其余的细胞都会死掉，只有纯合成细胞群能够留下。
文特尔研究所研究人员的下一步是使用他们的基因组编辑、合成和移植技术，来设计并测试含有越来越少基因的基因组。目标是建立一个“最小”细胞——只含有生存所必需之基因的细胞。这种细胞可能比一个自然细胞更容易进行基因工程改变。目前，研究人员的方法非常昂贵：如果研究人员们在实验室里自己合成DNA，制作并移植一个合成基因组的成本是30万～50万美元；如果他们从外部供应商购买合成DNA，成本会是上述的三倍多。但是，DNA合成的价格正在下降，并可能随着需求的增加和技术的进一步提高而继续下降。如果是这样，而且基因组制作技术被证明非常有效，就像文特尔研究人员希望的那样，更多的人将开始采用他们的方法，波士顿大学生物医学工程教授詹姆斯·柯林斯(James Collins)如是说。“这是合成生物学的一个显著进步，”柯林斯说，“现在我们能看到，哪些变化是可以被引入到基因组中去的。”
在马里兰州洛克维尔市的克雷格·文特尔(J.Craig VenterInstitute)研究所，技术员马丽(LiMa)以一个精确的动作，用移液管将一些樱桃红色的细菌细胞溶液，滴进一个装有脆弱的DNA环链的清液瓶中。这些环链是有史以来在实验室中合成的最大的DNA片段，每一个片段都可以控制一个细胞所有的正常功能。但是，这种DNA并非来自任何细菌，而是由科学家们用瓶装的化学品拼合起来的。他们最近开发的这一过程，第一次制造出了能够存活的合成细胞。马丽正在处理的一些细菌细胞，将在溶液中包围住合成基因组，然后进行复制，并在其控制下存活。
传统的基因工程是一个漫长的过程，基因需要一个一个地修改，常常要跨越连续几代的生物。这使得快速修改一个基因组成为一个艰巨的课题。但是，这项新开发的技术能让研究人员们在电脑上编辑基因组，减去或增加基因，就像在一个文件中剪贴一样。它更像是文字处理，而不像传统实验室涉及培养和筛选生物世代的工作，研究人员也可以将基因组“打印输出”，在某个时点，他们能够将结果(一个新基因组)移植到其他现有的细胞中去。这些步骤大大加快了工程过程，完成实验可能仅需要几个星期，而从前则要花费几个月甚至几年。
最终，研究人员希望，利用合成生物技术来设计出可以非常有效地生产疫苗、清洁燃料和其他产品的微生物。但是，研究人员无法做到凭空来制造新基因组，因为他们还不清楚哪些基因和基因网络，是维持生命和生产产品所必需的。“你在删除第一个基因时，细胞可能活下去；删除第二个基因，它却死了；然后，删除第三个，它又活过来。”丹尼尔吉布森(Daniei Gibson)说，他是该研究所的副教授。因此，文特尔的研究人员正在对一种自然发生的基因组序列进行试验。通过在不同的基因组中快速地删除和添加基因，他们希望能更多地了解基因组和细胞；通过将新基因组植入细胞，观察这些基因组能否正常工作。
遗传修订
整个过程从计算机开始，吉布森从中调出丝状支原体(Mycopiasmamycoides)细菌的基因组。它相对简单，仅有i078809个DNA碱基对，构成约900个基因(相比之下，大肠杆菌有4400个基因)。吉布森和他的同事们做了一些改动：从序列中删除了14个基因，并添加了一些其他基因。为创作一个水印来区分他们的生成物，吉布森和其同事制定了一个代码，可将英文转换成DNA四个字母的字母表，用它来修改基因组，并在其中嵌入了他们的名字、一个URL网址、几句话和一个E-mail地址。
然后，吉布森的小组使用软件将经标示后的基因组划分为1100个片段，每个片段大约1080个碱基对的长度——这个长度可以用DNA合成器经济地制作出来，DNA合成器是一台将瓶装溶液中的单个碱基对拼接在一起、成为DNA链的设备。最后，研究人员们借助酵母细胞，将这些片段缝合在一起，这是机器无法做到的。
吉布森在实验室中的一个冰箱前跪下，拿出12个塑料盒，每个盒中都包含96个小隔间，装满了电脑修改设计的DNA片段。他将这些放在长椅上，说：“这是整个基因组，共1100个片段。”吉布森用吸管按顺序提取了10个片段，并将它们添加到一个微小的塑料管里，再加入一些额外的DNA片段，以便于帮助将序列聚集在一起，形成一个环。接着，他又加入酵母细胞，这些细胞已经被处理过，使其能够缝合DNA片段。“每个酵母细胞都将这些DNA片段认作是它们自身染色体的一部分，认为它断了，”他说，“它希望把它们重新缝在一起。”研究人员们设计了DNA片段，使那些将要被连接到一起的片段一端有相匹配的序列。酵母通过匹配这些序列，将10个片段链接起来，产生含有10000个碱基对的DNA环。重复这一过程，可以将10000碱基对的序列链接成10万碱基对的基因组片段。在三次链接步骤之后，酵母就将整个合成基因组缝合在一起了。利用已有的方法，合成的基因组可以从酵母中提取出来。
处理这些提取出来的DNA，需要相当地谨慎：即使是一段很小的基因组，也含有大量的、脆弱的分子。“如果你不小心，它就会被打破成100个碎片。”吉布森说。如果将它悬浮在液体溶液中，DNA可以被轻微的液体流动所摧毁。因此，吉布森将基因组固定在琼脂糖中，这是一种由藻类衍生的凝胶，常用作微生物的培养基。由这种保护性颗粒封闭住，它们就可以被安全地保存，直到研究人员们准备好将其移植到受体细胞中。
微移植
在大楼的另一间实验室里，马丽制备好了将要接受新序列的细胞：一种叫做山羊支原体(Mycoplasmacapricolum)的细菌，它与合成基因组的来源物种有近亲关系。降解琼脂糖的酶将包含DNA的颗粒液化进一个试管，马丽拿出另一个试管，将细菌与氯化钙和聚乙二醇混合在一起，研究人员认为这种混合液可以使细胞表面可塑并具有黏性。现在，就看机会和稳健的操作了。马丽把一些细胞混合物吸入到包含合成基因组环的小瓶里。黏性细胞开始互相融合。为了在融合后保持其球形，它们必须从周围的溶液中吸收液体。在这种情况下，一些细胞(大约每10万中的一个)也吸收进合成基因组。其结果是一个超级细胞有三个基因组：一个合成的基因组和分别来自两个细胞的一个基因组。然后，超级细胞分裂成为三个小细胞，其中一个含有人工合成的基因组。
马丽将细胞溶液涂在培养片上，上面含有抗生素，只有含合成基因组的细胞可以耐受这个抗生素(在基因组编辑过程中，研究人员加入一个基因，使它们不被抗生素渗透)。这些细胞将会存活、成长，并在新的基因组控制下进行分裂。其余的细胞都会死掉，只有纯合成细胞群能够留下。
文特尔研究所研究人员的下一步是使用他们的基因组编辑、合成和移植技术，来设计并测试含有越来越少基因的基因组。目标是建立一个“最小”细胞——只含有生存所必需之基因的细胞。这种细胞可能比一个自然细胞更容易进行基因工程改变。目前，研究人员的方法非常昂贵：如果研究人员们在实验室里自己合成DNA，制作并移植一个合成基因组的成本是30万～50万美元；如果他们从外部供应商购买合成DNA，成本会是上述的三倍多。但是，DNA合成的价格正在下降，并可能随着需求的增加和技术的进一步提高而继续下降。如果是这样，而且基因组制作技术被证明非常有效，就像文特尔研究人员希望的那样，更多的人将开始采用他们的方法，波士顿大学生物医学工程教授詹姆斯·柯林斯(James Collins)如是说。“这是合成生物学的一个显著进步，”柯林斯说，“现在我们能看到，哪些变化是可以被引入到基因组中去的。”