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生命可以设计和再造吗?我国科学家利用化学物质合成了4条人工设计的酿酒酵母染色体,标志着人类向“再造生命”又迈进了一大步,也标志着我国成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家.
酿酒酵母是生物遗传学研究的一个重要模式生物.以合成型酿酒酵母染色体为研究对象,可以加快在基因組重排、环形染色体进化领域的研究进度,为人类环形染色体疾病、癌症和衰老等提供研究与治疗模型.
2012年,天津大学、清华大学、深圳华大基因研究院与美国等国家的科研机构共同推动了酵母基因组合成国际计划（Sc2.0）,旨在对酿酒酵母基因组进行人工重新设计和化学再造.我国科学家此次成功合成的4条酿酒酵母染色体占Sc2.0计划已经合成染色体的2/3.这一重大突破的背后,无不体现出中国科学家的辛勤与汗水,也意味着非生命物质与生命之间的界限已经打开,“设计生命、再造生命和重塑生命”的进程将随之提速.
从“读”到“写”：生命认识的巨大飞跃
来自天津大学、清华大学和深圳华大基因研究院的研究人员指出,这项研究利用小分子核苷酸精准合成了有活性的真核染色体,得到的基因组可以很好地调控酵母的功能.
同时,合成的染色体经过精致的人工设计,删除了研究者认为无用的DNA,加入了人工接头,总体长度比天然染色体缩减8%.
“人工合成染色体的价值,在于实现对基因的操控.”天津大学化工学院教授元英进说,如果合成的染色体与所取代的天然染色体完全相同,仅仅是“知其然”,但重新设计了染色体并确保细胞活性,说明研究人员已经开始“知其所以然”.
2010年,美国科学家首次将人工合成的基因组植入一个原核细菌,开启了化学合成生命的研究大门.不过,包括动物、植物和真菌在内的真核生物,其染色体更加复杂,设计与合成的难度也更高.
曾参与人类基因组测序计划的杨焕明院士介绍说,合成生物学（Synthetic Biology）是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后,以基因组设计合成为标志的第三次生物技术革命.
他指出,生物学界内最重要的分类依据既不是植物和动物,也不是多细胞和单细胞生物,而是以原核生物和真核生物来区分.“细菌、病毒等原核生物的基因组相对简单,而动物、植物、真菌等真核生物的基因（DNA）既丰富又复杂,通常会包含数亿甚至数十亿碱基对信息.同时,作为遗传物质的DNA通常被分配到不同的染色体中,而这些染色体又深藏在细胞核的特定区域.所以,合成一个真核生物的基因组是一项非常艰巨的任务.但是,如果生物学真正做到引领技术革命,合成真核生物基因组技术必将发挥非常核心的作用.”
元英进说,此次研究解决了合成单细胞真核生物的基本科学问题,为未来设计、构建复杂的真核生物细胞提供了更多知识储备.
杨焕明介绍,在掌握了基因序列的秘密之后,研究人员还将通过对染色体的设计、构建、测试等一系列过程,来验证和修正对基因组的认识.
“如果说基因组测序是‘读懂生命’,基因组合成就是在‘编写生命’,从读到写,是一个巨大飞跃.”杨焕明说.
“生命2.0”：有望解决人类医学难题
酿酒酵母是第一个完成基因组测序的真核生物,测序工作于1996年完成,有16条染色体,其基因约有23%与人类同源.因此,酿酒酵母是遗传学研究常用的一种模式生物,人工合成的酿酒酵母染色体能够为癫痫、癌症、智力发育迟缓和衰老等人类面临的医学难题提供研究与治疗模型.
元英进举例说,利用酵母菌细胞可以研究染色体异常,如果找到并修复细胞的基因组失活点,有望治疗因染色体异常而导致的发育异常.
“如同建房子,人类从天然洞穴起步,建筑材料越来越好,形式越来越美.生命也是一样,通过人工设计、化学再造,未来可以想象有2.0、3.0,版本越来越高.”元英进说.
此外,酿酒酵母本身有着巨大的工业开发潜力.华大基因合成生物学项目负责人沈玥说,应用生物技术,酿酒酵母理论上可以合成人类赖以生存的一切有机物.比如,用酵母菌合成已经产业化,成本远低于传统的植物提取.但由于酿酒酵母比较脆弱,对环境的要求严苛,其应用范围一直受限.
杨焕明认为,当科学家完全掌握了设计、合成酿酒酵母染色体的技术后,可以更便捷地改进酿酒酵母适应环境的能力,让发酵罐生产出更多样化、成本更低廉的食物和能源等.
“试想有一种细菌,能把垃圾快速分解,或者把霾全部吸收.”清华大学生命科学学院研究员戴俊彪说,科学家希望利用合成生物技术解决污染、能源短缺等人类面临的难题.对酿酒酵母染色体进行更多设计,能帮助研究人员理解更多的生物学问题.
创造生命：目前还做不到“无中生有”
不过,虽然此次人工合成的酿酒酵母染色体有着精巧设计,但是它们仍然是天然染色体的模仿品.“我们对生命的了解还远远不够,还做不到‘无中生有’.”戴俊彪说.
戴俊彪将之比作“二手房装修”：风格可以迥然一变,但房间还是原来的房间,并非从零开始盖房.
另外,科学家目前着力于设计和建构染色体,然后将人工合成的染色体植入原有的天然细胞中.“如果细胞不匹配,就好比拖拉机发动机安装在小轿车上.”戴俊彪说,若要重新设计、建构整个细胞,还有非常漫长的一段路要走.
元英进说,通过此次研究,把非生命的化学物质组装成染色体,找到导致细胞死亡、细胞失活、生长缺陷的各项关键要素,未来有望实现人工设计与合成的突破.
“修补”基因：从“跟跑”转为“并跑”
中国科学院合成生物学重点实验室副主任杨琛说,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.
“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.”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DN段的精准合成难题.
“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.
（本文转自新华网）
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