世界各地实验室里为数不多的一些科学家正在计划做一件事，就是发现支持一个单一活细胞所需的基本基因，并将这个最小基因组“缝合”起来，然后按“开”键。

最小基因组

美国遗传学家克雷格 · 文特尔说：“我们将在认识生物学首要原理的基础上重建一个完整的基因组。”2002年当文特尔宣布这一计划时曾引起了轰动。文特尔和其他研究人员的初衷是发现生命主要成分的基本真相。的确，我们已经知道很多生物化学知识，也建立了有关基因和蛋白质的庞大信息储存。但是，所有这些是如何组合起来的？是什么能够使一个细胞存活？

或许，第一个问题是如何界定最小的生命。哲学家和生物学家多年来一直试图在生命的含义这个问题上达成共识。在这方面，科学家将其定义为一个可以独立于其他细胞而生存、生长和复制的细胞。这就排除了在细胞内寄生的病毒。一开始，研究人员试图找出那些从所处环境中吸取所需的所有能量和营养的细胞的最小基因组。由此他们可以继续找出那些更自给自足的有机体（例如，那些靠阳光自我供应能量的有机体）的最小基因组。

除了揭示生命的奥秘，最小基因组研究还应该帮助进化生物学家描绘那些导致所有形式的现代细胞生命的细胞。

1990年，研究人员发现感染人体尿道的生殖道支原体具有任何独立生存的细胞的最小基因组。文特尔领导的研究小组于1995年给这种支原体的基因组排序，发现它仅仅包含480个基因。相比之下，土壤细菌枯草芽孢杆菌有4100个基因。但是不久人们发现，生殖道支原体由于直接从母体中吸取大量营养，并不需要众多的基因。

三种研究方法

最小基因组研究的三种主要方法之一是比较细菌的DNA，看看它们有哪些共同的基因。1996年，美国国立卫生研究院的尤金科宁与他的同事发表了一份对两个完整的微生物基因组一生殖道动态支原体和流感嗜血杆菌的基因组进行对比的报告。这些细菌各自经过20亿年的进化，看来是理想的候选者。它们共同拥有的任何基因肯定代表支持生命所需的核心基因组。研究小组在这两种微生物中寻找排序类似的基因，结果发现了256个。这是一个有价值的起点，但很可能仅仅是一个粗略的估计。

文特尔在尝试研究最小的基因组的第二种方法，是使一个细胞的基因一个一个丧失功能，以便发现哪些基因对生命来说是不可或缺的。1999年，他领导的研究小组宣布，他们从生殖道支原体所包含的480个基因人手，最后筛选出约300个基本基因。令人意外的是，其中有100个基因的功能不得而知。这意味着我们的基本细胞生物学知识有一些空白。

现在，研究人员正在紧跟这些神秘基因的踪迹，将它们与其他细菌的基因作对比，并把它们缝合成人工染色体，以测试它们的功能（这类研究可以有更多的直接实用价值）。威斯康星大学的弗雷德 · 布拉特纳和匈牙利赛格德生物研究中心的捷尔吉波 · 福伊组成了一个公司，他们通过比较大肠杆菌和与其有亲缘关系的更致命的细菌，如伤寒沙门氏菌和鼠疫耶尔森氏菌，试图了解是什么让细菌变得如此凶险。

与自上而下进行的将基因从细菌中剥离的方法不同，研究最小的基因的第三种方法是自下而上进行的。文特尔和其他研究人员正在尝试的这种方法是从零开始，然后添加不可或缺的基因。这是证明通过其他两种方法确定的候选基因组的确能使生命存活的最佳方法。

结论的挑战

那么，最小的生命需要什么？首先，你需要以DNA双螺旋的形式储存信息，并在这个分子受到损坏时能予以修复，将其转化成蛋白质并拷贝下来，以便自我复制。如枯草芽孢杆菌的基本基因约有一半做的是这些工作。其次，你需要一个细胞隔膜将自己同所处环境隔离开来，使之成为一个单独的生命形式。第三，你需要进行化学反应，从营养中吸取能量，将由氨基酸、糖和脂肪组成的基本部件制造成结构物质。换句话说，你需要新陈代谢。

有一些基因的功能尚未被发现，一旦知道了这些关键的功能，下一个挑战就是要合成长长的DNA。这非常困难，目前可以合成有5000个碱基对长的DNA片断，但即便是生殖道支原体这一小小的基因组也要比这大100倍。文特尔说，据他所知，以前人们从未尝试过合成50万个碱基对长的DNA。他的研究小组已经开发了一项新的技术，可以先合成较短的DNA片断，然后将它们连接成一段较长的DNA片断。

最后的障碍是让最小的基因组在细胞内发挥功能。文特尔计划将DNA从生殖道支原体中取出，插入他的人工基因组。究竟他将如何让生殖道支原体吞下50万个碱基对长的DNA还是一个问题。而新的基因组能否在细胞内真正“启动”则是另一个问题。