Science丨科學(xué)家聯(lián)手重構(gòu)大腸桿菌：19種氨基酸的人造生命漸行漸近

在地球長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年的生命史中，無(wú)論是微小的細(xì)菌還是復(fù)雜的人類(lèi)，都恪守著一套通用的“生命編碼”：利用 20 種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸構(gòu)建蛋白質(zhì)。 雖然翻譯后修飾以及非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的添加可以增加生物體可利用的 “ 氨基酸 ” 種類(lèi)，但目前尚未發(fā)現(xiàn)任何能夠使用少于 20 種氨基酸作為其遺傳編碼系統(tǒng)的 可以 自由生活 的 生物。 這引出了一個(gè)挑戰(zhàn)生命底層邏輯的科學(xué)疑問(wèn)：我們能否創(chuàng)造出一個(gè)“精簡(jiǎn)版”細(xì)胞，讓它僅憑不到20種氨基酸就能正常生長(zhǎng)？

在生命的“字母表”里，哪個(gè)字母是多余的 呢 ？為了理解這個(gè)復(fù)雜命題，我們可以將其比作文字系統(tǒng)。如果英文字母表從 26 個(gè)減至 25 個(gè)，英語(yǔ)的表達(dá)能力會(huì)受損嗎？例如，將使用頻率最低的“ z ”替換為“ s ”（如 realize 變?yōu)? realise ），文字依然通順。在生命的詞匯庫(kù)里，科學(xué)家們也在尋找那個(gè)“可有可無(wú)”的字母。他們發(fā)現(xiàn)， 20 種氨基酸中存在功能冗余。例如，異亮氨酸（ Ile ）與纈氨酸（ Val ）在化學(xué)性質(zhì)上極度相似。理論模型甚至暗示，僅需 9 到 12 種氨基酸，或許就能折疊出所有必要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2026 年 4 月 30 日，來(lái)自哥倫比亞大學(xué)的Harris H. Wang教授和哈佛大學(xué)與麻省理工學(xué)院Sergey Ovchinnikov教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在 Science 發(fā)表題為 Toward life with a 19 – amino acid alphabet through generative artificial intelligence design 的研究論文。該研究在大腸桿菌上展開(kāi)了一場(chǎng)大膽的“基因換血”。實(shí)驗(yàn)之初，“簡(jiǎn)單粗暴”的直接替換導(dǎo)致大腸桿菌核心蛋白質(zhì)功能大幅癱瘓——生命系統(tǒng)的精密程度遠(yuǎn)超預(yù)期。轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在人工智能（ AI ）的介入。研究者借助 AlphaFold2 和 ProteinMPNN 等 AI 模型，對(duì)細(xì)胞內(nèi)最核心的精密機(jī)器——核糖體（蛋白質(zhì)生產(chǎn)工廠）進(jìn)行了大規(guī)模的底層重構(gòu)。經(jīng)過(guò)縝密的“設(shè)計(jì) - 構(gòu)建 - 測(cè)試”循環(huán)（圖1），科學(xué)家成功重新設(shè)計(jì)了全部52種核糖體蛋白，將異亮氨酸徹底從其序列中抹去。一株攜帶 21 個(gè)無(wú)異亮氨酸核糖體蛋白的大腸桿菌，在實(shí)驗(yàn)室中連續(xù)傳代 450 代后，其基因組保持了驚人的穩(wěn)定性，并未發(fā)生向原始序列的“倒退”。這項(xiàng)研究為合成精簡(jiǎn)的“19氨基酸生物”鋪平了道路。這不僅是人類(lèi)對(duì)生命起源邊界的深情回望，更是工程化生命的巨大飛躍。通過(guò) AI 與基因編輯的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，我們正站在造物主視角的邊緣，準(zhǔn)備創(chuàng)造出擁有全新特性、突破自然極限的人造生命。

哥倫比亞大學(xué)博士后劉力源、博士研究生 Charlotte Rochereau 、哈佛大學(xué)文理學(xué)院 Simon Kozlov 以及博士后 Guillaume Urtecho 為共同第一作者， Harris H. Wang 教授和 Sergey Ovchinnikov 教授為共同通訊作者。 作者表示該 項(xiàng)目在初期階段得到了 Larry Gold （科羅拉多大學(xué)博爾德分校）、 George Church （哈佛大學(xué)）、戴俊彪（中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所）、劉陳立（中科院深圳先進(jìn)院）、 Calin Plesa （俄勒岡大學(xué)）及 Nathan I. Johns 的悉心指導(dǎo)與深入探討，在此一并致謝。

https://doi.org/10.1126/science.aeb5171

制版人： 十一

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