Science丨科學家聯手重構大腸桿菌：19種氨基酸的人造生命漸行漸近

在地球長達數十億年的生命史中，無論是微小的細菌還是復雜的人類，都恪守著一套通用的“生命編碼”：利用 20 種標準氨基酸構建蛋白質。 雖然翻譯后修飾以及非標準氨基酸的添加可以增加生物體可利用的 “ 氨基酸 ” 種類，但目前尚未發現任何能夠使用少于 20 種氨基酸作為其遺傳編碼系統的 可以 自由生活 的 生物。 這引出了一個挑戰生命底層邏輯的科學疑問：我們能否創造出一個“精簡版”細胞，讓它僅憑不到20種氨基酸就能正常生長？

在生命的“字母表”里，哪個字母是多余的 呢 ？為了理解這個復雜命題，我們可以將其比作文字系統。如果英文字母表從 26 個減至 25 個，英語的表達能力會受損嗎？例如，將使用頻率最低的“ z ”替換為“ s ”（如 realize 變為 realise ），文字依然通順。在生命的詞匯庫里，科學家們也在尋找那個“可有可無”的字母。他們發現， 20 種氨基酸中存在功能冗余。例如，異亮氨酸（ Ile ）與纈氨酸（ Val ）在化學性質上極度相似。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結構。

2026 年 4 月 30 日，來自哥倫比亞大學的Harris H. Wang教授和哈佛大學與麻省理工學院Sergey Ovchinnikov教授聯合團隊在 Science 發表題為 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了一場大膽的“基因換血”。實驗之初，“簡單粗暴”的直接替換導致大腸桿菌核心蛋白質功能大幅癱瘓——生命系統的精密程度遠超預期。轉機出現在人工智能（ AI ）的介入。研究者借助 AlphaFold2 和 ProteinMPNN 等 AI 模型，對細胞內最核心的精密機器——核糖體（蛋白質生產工廠）進行了大規模的底層重構。經過縝密的“設計 - 構建 - 測試”循環（圖1），科學家成功重新設計了全部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 個無異亮氨酸核糖體蛋白的大腸桿菌，在實驗室中連續傳代 450 代后，其基因組保持了驚人的穩定性，并未發生向原始序列的“倒退”。這項研究為合成精簡的“19氨基酸生物”鋪平了道路。這不僅是人類對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 AI 與基因編輯的強強聯手，我們正站在造物主視角的邊緣，準備創造出擁有全新特性、突破自然極限的人造生命。

哥倫比亞大學博士后劉力源、博士研究生 Charlotte Rochereau 、哈佛大學文理學院 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 項目在初期階段得到了 Larry Gold （科羅拉多大學博爾德分校）、 George Church （哈佛大學）、戴俊彪（中國農科院深圳農業基因組研究所）、劉陳立（中科院深圳先進院）、 Calin Plesa （俄勒岡大學）及 Nathan I. Johns 的悉心指導與深入探討，在此一并致謝。

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

制版人： 十一

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