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离人工合成生命又近了一步!我国科学家完成4条酿酒酵母染色体的化学合成

2019/11/9 8:46:45

离人工合成生命又近了一步!我国科学家完成4条酿酒酵母染色体的化学合成

天津大学、清华大学和华大基因日前完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成,实现了生物合成研究的最新突破。北京时间3月10日凌晨三点,国际顶级学术期刊《科学》,以封面形式同时刊发了这4篇研究长文。

 

什么是真核生物?为什么科学家对酿酒酵母“情有独钟”?这一突破有何意义?解放日报·上观新闻记者采访了中国科学院合成生物学重点实验室副主任杨琛研究员。

 

酿酒酵母基因约有23%与人类同源

 

华大基因理事长杨焕明院士曾说过,在生物学界最重要的分类依据,既不是植物和动物,也不是单细胞和多细胞,而是以原核生物和真核生物来区分。原核生物是没有成形细胞核或线粒体的一类单细胞,真核生物与原核生物的根本区别是其细胞内有以核膜为边界的细胞核。原核生物的基因组相对简单,真核生物通常包含数亿乃至数十亿碱基对信息,更加接近人的细胞。因此,要想合成一个真核生物的基因组异常艰巨。

 

酿酒酵母,又称面包酵母或出芽酵母,除了用于制作面包馒头等食品及酿酒,还在分子和细胞生物学中用作模式真核生物。酿酒酵母是1996年第一个完成基因组测序的真核生物,有16条染色体,其基因约有23%与人类同源。

 

突破生物合成多项核心技术

 

合成生物学是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后的第三次生物技术革命。美国科学院院士杰夫·伯克发起了酿酒酵母基因组合成计划,试图重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体。该项目由美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与,每个研究组被分配到了一至两条染色体。迄今,中外科学家共完成5条染色体的化学合成,其中中国科学家就完成了4条。

 

“如果用‘十年磨一剑’来形容这一突破背后的努力,一点也不为过。” 杨琛说,2010年美国的科学家曾经合成了原核生物染色体,但还只是单纯地复制,由于对其生命密码没有完全掌握,也不敢对其进行任何改造,否则细胞就会失去活性。2016年,在这基础上,他们又设计并合成了最小基因组,足以使细菌存活。

 

此次中国科学家不仅实现了对“兆级”片段基因组的合成,还突破了生物合成方面的多项核心技术。比如,开发了染色体缺陷靶点定位和染色体修复技术,解决了全化学合成基因组导致细胞失活的难题,从而能够成功调控酵母的生长,并具备各种环境响应能力。

 

“合成基因组的过程,首先是合成一小段,再像搭积木一样,把多个小段组装成中段,再组装成长片段。这个过程是很容易出错的。” 杨琛说,此次合成建立了染色体缺陷靶点的快速定位与精确修复技术,解决了超长人工DNA片段的精准合成难题。

 

此外,这次化学合成还建立了一组环形染色体模型,为环形染色体疾病和癌症等疾病的治疗提供了研究模型。

 

从“跟跑”转为“并跑”

 

化学合成酵母染色体,有何意义呢?“就像杨焕明院士所说,我国在酿酒酵母设计与合成研究中,已经由‘跟跑’转为‘并跑’!”杨琛认为,这一工作标志着人类可以设计并合成真核生物的基因组,在人造生命方面迈出了非常重要的一步:一方面可以更深刻地认识基因组的灵活性与可塑性,进一步深化对生命复杂性的理解;另一方面,此前,基因修饰的酵母已经用来制作疫苗和药物,这些人工合成酵母将在医药、能源、环境、农业和工业等领域具有重要的应用潜力。

题图来源:视觉中国  图片编辑:徐佳敏