探索生命“边界”：活着，最少需要多少基因？

生命的本质不仅体现在复杂的遗传与变异中，更蕴含于其“减而不化”的极简边界内。从拥有30亿碱基对的人类基因组，到仅有20万碱基对的纳米古菌，一些“生命”已经将代谢功能“外包”，甚至化身为细胞器的内共生实体，这种基因组的持续缩减展现了生命从独立有机体向功能模块演化的“连续谱系”。科学家正在持续寻找“最小基因集”，探索细胞与生物实体之间的边线。更具实际意义的是，合成生物学正在以此为基础，“自上而下”构建“人工生命”，展现出实用潜力。

撰文 | 赵丛政、李庆超（山东师范大学）

生命的本质是什么？

“忒修斯之船”的本质是什么？换修到什么地步，它就已经不是它自己，而变成一条全新的船了？如果只拆不补的话呢？直到去掉什么部件，它仍是一条船；再拆下去，连“船”的资格都已被剥夺？

这个颇具哲思的问题其实正在考验人类对生命的理解：生命的本质是什么？大自然多样的生命形式为我们提供了足够的样本来讨论这个问题。我们可以拿出一个复杂的生命个体和一个简单的生命个体来做比较。人和大肠杆菌均属于生命，它们的共同点，一定包含了生命的本质。人的基因组约30亿碱基对，含约2.1万个基因；野生的大肠杆菌（E.coli）的基因组DNA中有470万个碱基对，内含4000余个基因。也就是说，一个只有数千基因的原核生物就已经足以撑起生命了。那么，再用一个细菌和一个病毒颗粒比呢？

毫无疑问，比真核生物更简单的细菌是“有机体”（Organism），而病毒只能称为“生物实体”（Biological entity），后者已经进入了“生命”与“非生命”的灰色地带。病毒的基因组可以小到数千个碱基，释放到细胞外的病毒颗粒不具备任何生命迹象，更像是一个复杂的生物大分子。病毒不能完全归为“非生命”的原因在于，它可以感染细胞，并完成复制周期，产生新的子代病毒颗粒。在病毒复制的周期中，病毒的“生命”特性体现出来了：遗传和变异。当然，这个特征有赖于细胞。因此，我们是否可以说生命的本质是“遗传和变异”，而其基础是“细胞”结构？美国国家航空航天局（NASA）对生命的定义是“一个能够进行达尔文演化的、自我维持的化学系统”[1]。显然，在这个定义中，细胞就是这个化学系统，而“达尔文演化”的内容是“遗传和变异”，再加上“选择”。从这个意义上讲，病毒确实不是完整的生命，因为它自己不具备所需的化学系统。看起来生命的边界在细胞与病毒之间。

其实还有一个“生物实体”可以帮我们将范围限定得更小——细胞器。准确地说是线粒体和叶绿体这类含自身遗传物质，并具有一定蛋白质合成体系的半自主性细胞器。半自主性细胞器看上去很像内共生的细菌，为什么它们不能成为“有机体”？它们虽然有基因组，也具备部分蛋白质合成能力，但大量必需蛋白仍需由细胞核编码，在细胞质翻译后再导入其中；离开宿主细胞，这些细胞器通常不能长期维持代谢与稳态。它们只能在宿主细胞内通过分裂实现数量的增加，并随宿主细胞分裂而被分配和传递，缺乏作为“个体”独立繁殖与扩散的生命周期。正因如此，尽管这些半自主性细胞器携带一定的遗传物质，却更接近细胞中的功能模块，而非独立的有机体；达尔文式选择主要体现在其所在的细胞层面。基于这些特征，我们可以将生命的边界划在细胞与半自主细胞器之间。

表1 本文所提及的细胞生物或生物实体所含基因组大小比较（1 bp为1碱基对；1kb=103bp）。

细胞壁？不要了！

关于生命的本质的探索，来到了“完整的”细菌基因组与“严重缩水和被绑架的”半自主细胞器基因组之间。那么，我们进而可以从细菌基因组到细胞器基因组的简化过程中入手，删繁就简继续探索。比如去掉细胞壁？

原核生物，包含真细菌和古菌，一般结构包括细胞壁、细胞膜、细胞质和不成型的拟核，必需的细胞器是核糖体（糖被、鞭毛、菌毛和质粒等结构是细菌非必需的）。而有一类细菌天然没有细胞壁——支原体（Mycoplasma）。

支原体是一类能通过细菌滤器的极小原核生物。它们结构高度简化，丢弃了细胞壁；细胞内部只有核糖体一类细胞器。它们的基因组规模通常在60万到100万个碱基对，却能在土壤或动物上皮组织上自由生活。特别是生殖道支原体（Mycoplasma genitalium），它是目前已知基因组规模最小，并且能在培养基上培养、自由生活的细胞。它的代谢网络极简，基因组冗余度也很低，被认为非常接近维持细菌生命所需的最小基因集，这也界定了自由生活与专性寄生的细胞生物的边线。研究显示，在其约58万对碱基的基因组中，包含482个蛋白编码基因；科学家发现这些基因中有382个基因为必需的蛋白质编码基因，涉及到复制、转录、翻译、能量代谢、物质合成与运输等功能，但仍有28%的必需基因功能未知[2]。

图1 生殖道支原体结构示意图，该细菌于1981年首次从人类泌尿生殖道中分离出来，可造成性传播疾病。丨图源：Wikipedia

代谢？外包了！

如果想进一步压缩细胞的基因组大小，可能就要放弃自由生活，通过共生或寄生的方式存活了。事实上，多数共生菌负责遗传信息传递的基因在很大程度上保留完整，而负责代谢的基因受到不同程度地缩减。共生菌将代谢基因“外包”，依靠宿主提供的营养物质生活。

2025年5月份报道的一种被称为Sukunaarchaeum的纳米古菌，提供了一个极简基因组生命的例子：它是在一种甲藻（Citharistes regius）内发现的共生菌，基因组只有23.8万碱基对[3]；相比之下，其他纳米古菌基因组在50万碱基对左右。这种共生菌优先保留了繁殖相关的基因，但丧失了代谢基因，这使得它无法独立获取营养或生长，必须完全依赖宿主细胞。这一发现揭示了微生物进化中极端简化的可能性，并推动了对生命边界和准生命形式的重新思考。但报道中提到的“重新定义了生命”其实并不准确。事实上，比Sukunaarchaeum古菌发现更早、基因组更小的细菌还有很多。

图2 海洋中的甲藻 Citharistes regius 进化出了一个称为Phaeosome的囊状体腔结构，其中容纳了共生蓝藻（橙色细胞）、古菌等各种共生菌。丨图源：Takuro Nakayama

吃太多“软饭”容易丢失爪牙、骨头等硬的东西。共生或寄生造成的基因丢失也是一个连续、渐进的过程。研究证明，共生菌一旦和宿主建立专性共生关系，其基因组规模会在新的进化压力下持续缩减。一方面，共生菌种群数量较少，加上母系传递，使遗传漂变造成的有害突变不断积累；另一方面，共生菌生活在更稳定的环境中，某些自由生活所需的功能变得不必要，宿主与共生菌之间形成代谢冗余。这些因素共同造成了共生菌早期可移动元件的增殖、假基因的形成、基因组重排以及染色体片段的缺失。而在共生后期，可移动元件和假基因被清除掉，最后基因组缩减到现在已有的规模：仅负责遗传信息传递和维持共生的基因被保留[4]。

更“精小”的共生菌主要存在于昆虫中。微生物和昆虫之间常常存在着一种微妙的共生关系。微生物为昆虫提供所需的营养，而昆虫则为微生物提供栖身之所。以蝉与微生物的共生关系为例，蝉以树的汁液为食，多糖少蛋白，共生菌可为蝉提供必需氨基酸——组氨酸和蛋氨酸。作为回报，蝉在其腹腔内为共生菌提供了一种名为“菌器”（Bacteriome）的器官作为居住场所。随着时间的推移，这些内共生体会与宿主在代谢上整合，其基因组也会逐渐简化，最终只剩下少数基因参与核心代谢过程[5]。

目前已知共生菌中基因组规模最小的，当属2013年在叶蝉体内发现的两种共生菌。它们的基因组高度简化：Sulcia muelleri 的基因组约为19万碱基对，Nasuiade ltocephalinicola 的基因组约为11.2万碱基对（相当于只有大肠杆菌基因组的2.5%），而后者仅包含137个蛋白质编码基因。这两种共生菌的基因组加起来只能合成10种氨基酸，甚至通过氧化磷酸化合成ATP的基因也已经丢失，仅保留了一些参与DNA复制、转录和翻译的核心机制。其余生活必需氨基酸以及ATP，必须依靠宿主补齐。这真是一个完美的“破烂兄弟”合作案例[6, 7]。

图3 东方叶蝉（M. dorsalis； 图A），储存共生菌的器官“菌器”（Bacteriome；图B），菌器中的苏氏菌属（Sulcia，绿色荧光）和纳氏菌属（Nasuia，红色荧光）的分布（图C-F）及透射电镜图（图G）。丨图源：参考文献[8]

躺平的尽头：被收编

内共生菌基因组缩减的终点，是其不再是一个独立的生物，而是被宿主收入“编制”，变成了宿主一个发挥特定功能的“器官”。据推测，线粒体起源于自由生活的α-变形菌，为宿主提供呼吸作用和高效ATP合成的场所；叶绿体则起源于曾经自由生活的蓝细菌，使宿主获得光合作用能力。

从内共生到细胞器的过程，同样经历了进化压力引起的基因组缩减。但与昆虫体内共生菌不同的是，该过程中重点丧失了其自主性，更多基因被宿主细胞所接管。在内共生的早期阶段，共生菌的基因大量向宿主细胞核转移。随后，细胞核编码的蛋白序列进化出靶向导入机制——这一机制是原始内共生菌转变为细胞内细胞器的关键，导致共生菌基因组缩减，删除了那些在新的胞内环境中无需存在或与宿主功能冗余的基因。此外，核来源的，参与复制、转录、分裂等过程的蛋白取代了细胞器自身的相关蛋白，进一步推动基因组缩减。最终，细胞器与宿主细胞在遗传、生化或代谢层面形成稳定关联[9, 10]。

直到现在，这种演化过程依然持续进行中。例如，豆科植物根瘤菌形成的“共生体”（Symbiosome）以及深海管虫体内的化能自养细菌等（生活在深海热泉附近的生产者，因为这里没有一丝光明，它们无法依赖光提供能量，而是利用无机还原性物质在氧化过程中释放的能量来合成有机物；管虫则依赖这些自生菌合成的有机物来获取能量）。它们揭示了由共生体到细胞器独特的演化谱系，为真核生物飞跃式进化提供了证据。

细胞器基因组仅编码少数细胞器蛋白，并且这一基因集有可能还在持续缩减。例如，人类线粒体细胞器中现存的基因组长度为1.66万对碱基，包含37个基因，主要负责参与氧化磷酸化合成ATP；恶性疟原虫线粒体基因组，其大小约为6000对碱基，包含3个蛋白质编码基因和几个rRNA基因。甚至某些生物体，其线粒体已退化为氢化酶体形式或线粒体相关细胞器（mitochondria-related organelles, MROs），其基因组经历了完全的基因丢失，不再包含任何基因[11]。

图4 寄生、共生菌及细胞器。寄生与共生关系是两个物种之间的关系，其中寄生菌对宿主有害，而共生菌可给对方提供帮助，它们均未丧失自主性，但存在不同程度的基因丢失。细胞器一般认为起源于内共生菌，丧失了自主性。丨图源：Gemini辅助生成

合成生物学的“底盘细胞”

最后，我们回到开始的问题：探讨生命的边界有什么理论或现实意义？

图5 人工“极简”细胞的两种思路丨图源：Gemini辅助生成

J. Craig Venter 研究所（JCVI）开展了一项名为“Synthia”（辛西娅）的合成生物学研发计划，旨在将生物体简化到仅剩必需组分，从而了解从零开始构建新生物体所需的条件。2010年，JCVI的克雷格·文特尔（Craig Venter）团队成功地合成了牛支原体（M. mycoides）基因组的改良简化版本，并将其移植到已去除DNA的山羊支原体细胞中，制造出新的人工细胞JCVI-syn1.0，或简称辛西娅。此后他们不断尝试将基因组规模减小，包括JCVI-syn3.0等版本相继问世。2018年，中国科学院覃重军团队也成功建造了含有单条染色体的真核酿酒酵母细胞，这是人类首次成功创建的自然界不存在的简约真核生命体。

从科学角度来看，探寻“最小基因组计划”这类工作除了能够识别生命所需的最关键的基因，还可以降低菌株的遗传复杂性，从而尝试开发更具可预测性的工程菌株。在此基础上，若能增加符合我们实际需求的相关基因，则可实现各种满足需求的应用。尽管这种“自上而下”地通过去除已有生物的基因组中“多余”基因，从而合成生命体的方法被质疑并非“创造生命”，但是通过这一思路，我们依然能更好地了解基因组的构造以及其中的有机联系，对生命底层逻辑有更深入的理解。同时生命的灵活多样让我们明白，生命的存在并不局限于我们认知的条条框框。对生命底层逻辑的探索，让我们的认知边界不断延伸，拥抱更多的可能。

那么，“自下而上”的人工构建生命是否可能？合成细胞（SynCells）作为模拟细胞功能的人工构建体，不仅有助于深化基础生物学理解，还在医学、生物技术和工程领域展现广阔应用前景。我们有充分的理由相信，利用非生物组分构建活体合成细胞（SynCell）是可能的。利用非生物组分构建活体合成细胞的能力，代表着我们对生命理解以及改造生命能力的一次范式转变——它弥合了生物与非生物物质之间的鸿沟，为探索生物学的边界并利用其原理进行创新应用提供了前所未有的机遇。这项工作不仅拓展了科学技术的边界，也启发了我们对生命本身的全新思考；与此同时，我们也肩负着确保生物安全、包容性，并让成果造福社会的重任。

参考文献

[1] J.I. Glass, N. Assad-Garcia, N. Alperovich, S. Yooseph, M.R. Lewis, M. Maruf, C.A. Hutchison, H.O. Smith, & J.C. Venter, Essential genes of a minimal bacterium, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103 (2) 425-430, https://doi.org/10.1073/pnas.0510013103 (2006).

[2] https://www.quantamagazine.org/a-cell-so-minimal-that-it-challenges-definitions-of-life-20251124/

[3] Latorre A, Manzano-Marín A. Dissecting genome reduction and trait loss in insect endosymbionts. Ann N Y Acad Sci. 2017 Feb;1389(1):52-75. doi: 10.1111/nyas.13222. Epub 2016 Oct 10. PMID: 27723934.

[4] https://microbialmenagerie.com/how-a-cicada-endosymionts-chromosome-got-split-into-many-fragments/

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Minimal_genome

[6] Bennett GM, Moran NA. Small, smaller, smallest: the origins and evolution of ancient dual symbioses in a Phloem-feeding insect. Genome Biol Evol. 2013;5(9):1675-88. doi: 10.1093/gbe/evt118. PMID: 23918810; PMCID: PMC3787670.

[7] Wu W, Lei J-N, Mao Q, Tian Y-Z, Shan H-W, Chen J-P. Distribution, Vertical Transmission, and Cooperative Mechanisms of Obligate Symbiotic Bacteria in the Leafhopper Maiestas dorsalis (Hemiptera, Cicadellidea). Insects. 2023; 14(8):710. https://doi.org/10.3390/insects14080710

[8] https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Symbiogenesis&oldid=1328070367

[9] Latorre A, Manzano-Marín A. Dissecting genome reduction and trait loss in insect endosymbionts. Ann N Y Acad Sci. 2017 Feb;1389(1):52-75. doi: 10.1111/nyas.13222. Epub 2016 Oct 10. PMID: 27723934.

[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Minimal_genome

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