人工合成酵母染色體 打破生命與非生命界限



上期科學周刊刊登了中國科學院生物物理研究所姜韶東博士的文章《合成生物學與生物謎題的追尋》,探討合成生物學的發展和倫理,引發社會關注。本期周刊聚焦天津大學元英進教授團隊牽頭負責的“酵母長染色體的精準定制合成”項目和最新研究成果,進一步解讀合成生物學究竟是一門怎樣的學科,人工合成酵母染色體有何科學價值。

上期科學周刊刊登了中國科學院生物物理研究所姜韶東博士的文章《合成生物學與生物謎題的追尋》,探討合成生物學的發展和倫理,引發社會關注。本期周刊聚焦天津大學元英進教授團隊牽頭負責的“酵母長染色體的精準定制合成”項目和最新研究成果,進一步解讀合成生物學究竟是一門怎樣的學科,人工合成酵母染色體有何科學價值。

“人工合成酵母染色體”,這一合成生物學領域的“關鍵詞”隨著中國學者高水平科研成果的問世,逐漸進入公眾視野。2017年3月,天津大學、清華大學、華大基因的中國科學家在真核生物基因組設計與化學合成方面取得重大突破,完成了4條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設計與化學合成,研究成果形成的4篇論文以封面的形式在國際頂級學術期刊《科學》上發表。

2018年3月,天津大學合成生物學元英進教授牽頭負責的“酵母長染色體的精準定制合成”研究成果入選2017年度中國科學十大進展。5月,元英進團隊在《自然·通訊》雜志同期發表三篇研究長文,宣布開發出新型的基因組重排技術。

化學再造遺傳信息:幫助人類更深刻理解基礎生物學

DNA重組技術取得突破,分子生物學異軍崛起,基因工程產業迅速發展……一系列生物技術成果的取得使合成生命的原材料核苷酸得以快速生產制備,也使“合成生物學”得以站在“巨人的肩膀”上快速成長。即便如此,從小分子核苷酸到活體真核染色體的定制精準合成依舊困難重重,元英進團隊為此付出了10年努力。

整個染色體合成過程按照“設計-合成-檢驗”三個環節循環進行。首先通過計算機輔助設計出待合成的酵母染色體的基因序列,然后將合成好的DNA片段逐輪導入酵母內,來組裝和替換天然的野生型染色體,最終再對已經替換好染色體的合成酵母細胞進行生長的檢驗和確認。

“最大的挑戰并不是實驗操作的復雜性,而是由于生物體本身的復雜性和我們對基因組認知的局限性而導致合成型基因組引起細胞生長缺陷?!毖芯繄F隊在合成染色體的過程中發現合成后的酵母出現眾多的生長缺陷,這讓天津大學化工學院合成生物學副教授吳毅陷入焦慮。通過深入研究,他們從大量的候選菌株基因型的表征中發現缺陷基因靶點,開發出一種利用混菌策略和PCR標簽高效定位生長缺陷靶點的方法。這也為國際項目團隊完成合成工作提供了技術支撐,提高了合成效率。

元英進帶領的天津大學團隊完成了釀酒酵母16條中的染色體5號、10號(synV、synX)兩條染色體的化學合成,并開發了高效的染色體缺陷靶點定位技術和染色體點突變修復技術。戴俊彪研究員帶領清華大學團隊完成了當前已合成染色體中最長的12號染色體(synXII)的全合成;深圳華大基因研究院團隊聯合英國愛丁堡大學團隊完成了2號染色體(synII)的合成及深度基因型-表型關聯分析。

“突破合成型基因組導致細胞失活的難題,設計構建染色體成環疾病模型,開發長染色體分級組裝策略,證明人工設計合成的基因組具有可增加、可刪減的靈活性?!?號酵母染色體合成論文作者、天津大學化工學院副教授謝澤雄向記者介紹了他的科研成果,其中的一些已經走向應用。

“化學合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的問題;另一方面可以通過基因組重排系統,實現快速進化,得到在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域有重要應用潛力的菌株?!痹⑦M表示。

基因組重排:人工合成染色體走向應用

“人工合成酵母染色體有什么用?”這是元英進經常被問及的問題。

雖然合成酵母具有廣闊的發展前景和科研價值,但作為基礎研究,想要在應用領域出成果,著實不易。但元英進團隊給出了合成酵母“應用研究”的一條新路。

2018年5月,天津大學合成生物學研究團隊在《自然·通訊》雜志同期發表3篇研究長文,介紹了精確控制基因組重排技術等一系列研究成果。

這是繼人工合成酵母染色體打破非生命物質和生命物質界限后,中國科學家在“設計生命、再造生命、重塑生命”進程中的又一重大技術進展,開啟了合成生物學研究中基因組重排這一全新的研究領域。




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