五年前，科学家们创造了一种单细胞合成有机体，它只有473个基因，是已知最简单的活细胞。然而，这种细菌样的有机体在生长和分裂时表现得很奇怪，产生的细胞形状和大小大相径庭。

现在，科学家们已经确定了七种可以被添加到这些细胞中的基因，使它们整齐地分裂成均匀的球体。这项成就是由J. Craig Venter研究所(JCVI)、美国国家标准与技术研究院(NIST)和麻省理工学院(MIT)比特和原子中心合作完成的，发表在《细胞》杂志上。

识别这些基因是设计合成细胞并发挥作用的重要一步。这些细胞可以扮演生产药物、食物和燃料的小工厂角色，在体内检测疾病并生产治疗疾病的药物，就像微型电脑一样。但是，要设计和建造一个完全按照你的意愿运作的细胞，就需要一系列基本部件，并知道它们是如何组合在一起的。

“我们想要了解生命的基本设计规则，”该研究的合著者之一、NIST细胞工程小组组长Elizabeth Strychalski说道，“如果这个细胞可以帮助我们发现和理解这些规则，那么我们就可以开始这项‘较量’了。”

2010年，JCVI的科学家们构建了第一个带有合成基因组的细胞。他们并不是完全从零开始建造这个细胞，而是从一种叫作“支原体”的非常简单的细菌细胞开始研究。他们破坏了这些细胞中的DNA，并用计算机设计和实验室合成的DNA取而代之。这是地球生命史上第一个拥有完全合成基因组的有机体，他们称之为JCVI-syn1.0。

从那以后，科学家们一直致力于将这种生物体的基因成分缩减到最低限度。他们在5年前创建的称为JCVI-syn3.0的超级简单细胞可能过于极简。研究人员现在已经向这个细胞添加了19个基因，包括正常细胞分裂所需的7个基因，以创造新的变异——JCVI-syn3A，这种变体只有不到500个基因。为了更好地理解这个数字，我们可以参考一下，生活在肠道中的大肠杆菌大约有4,000个基因，而人类细胞大约有30,000个基因。

JCVI的合成生物学小组花了数年的艰苦努力来鉴定另外7个基因。该小组由联合作者John Glass领导，联合第一作者、JCVI科学家孙立杰通过系统地添加和移除基因，构建了数十个变异菌株。接下来，她和其他研究人员将观察这些基因如何影响细胞的生长和分裂。

NIST的任务是在显微镜下测量合成有机体的变化。这是一个挑战，因为细胞必须存活才能被观察到。使用高倍显微镜观察死亡细胞相对容易，但对活细胞进行成像要困难得多。将这些细胞固定在显微镜下是非常困难的，因为它们是如此的微小和脆弱。一个大肠杆菌就能容纳100个以上的细菌，就算很微小的力量也可以将它们撕裂。

为了解决这个问题，Strychalski和麻省理工学院的合著者James Pelletier、Andreas Mershin和Neil Gershenfeld设计了一种微流控恒化器——一种小型水族馆——在那里细胞可以在光学显微镜下保持存活和快乐生长。这项研究结果形成了一个定格运动视频，展示了合成细胞的生长和分裂。

这个视频展示了五年前创建的JCVI-syn3.0细胞，它们分为不同的形状和大小。一些细胞形成纤维，另一些则没有完全分开，而是像绳子上的珠子一样排列在一起。尽管种类繁多，但所有这些细胞的基因都是相同的。同时可以看到，新的JCVI-Syn3A细胞分裂成形状和大小更均匀的细胞。

这些视频以及其他类似的视频让研究人员得以观察他们的基因操作是如何影响细胞的生长和分裂的。如果移除一个基因干扰了正常的过程，他们会把它放回去，再尝试另一个。 

“我们的目标是了解每个基因的功能，这样我们就可以建立一个完整的细胞如何工作的模型。”Pelletier说。

但这一目标尚未实现。在为正常细胞分裂添加的7个基因中，科学家们只知道其中2种的作用，其他5种细胞在细胞分裂中所起的作用还不清楚。

“生活仍然是一个黑匣子，”斯特里查尔斯基说，但通过这种简化的合成细胞，科学家们可以清楚地了解细胞内部的情况。