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定制酵母基因重塑生命并非幻想

  设计和人造生命,这种科幻片里的故事线日,我国科学家在《科学》杂志刊发4篇论文,宣布人工合成4条酵母染色体,突破化学合成基因组导致细胞失活的难题。

  这些发表的新成果,意味着用化学物质设计定制真核生物酵母生命体成为可能,科学家在合成复杂人工生命的道路上又迈进了一大步。

  在这一领域的探索2010年首次获得突破,美国科学家文特尔制造出完全由人造基因控制的单细胞细菌。但这还只是单纯的复制,由于对其生命密码没有完全掌握,不敢对其进行任何改造,否则细胞就会失去活性。

  2014年,“人工合成酵母基因组计划”宣布首次人工合成真核生物。这项计划旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体,2014年只完成了其中较小的一条。研究历时7年,增删了其中许多元件让其功能更安全。

  此次,《科学》杂志上发表的7篇论文来自“酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0计划)”。该计划由美、中、英、法等国家的科学家参与,中国科学家完成5条染色体化学合成中的4条。

  天津大学化工学院教授元英进团队完成了5号、10号染色体的化学合成,并开发了高效的染色体点突变修复技术。清华大学戴俊彪研究员带领的团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体的全合成。深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体的合成及有关分析。

  在普通人眼中酵母可用来酿酒、做面包和生产乙醇。但在合成生物学家眼中,酿酒酵母是开展研究最理想的模式生物。

  “酿酒酵母是首个被全基因组测序的真核生物,大尺度的设计和重建酵母基因组是对目前酵母领域知识贮备的真实性、完整性和准确性的一个直接考验。”元英进是最早参与Sc2.0计划的中国科学家,此次在《科学》期刊上以通讯作者身份发表两篇论文。

  清华大学生命科学学院研究员戴俊彪打比方说,基因组设计就好比给房子装修,如果将生物看作一个旧房子,对基因组进行设计改造,就是让旧房的空间更大、布局更好,更加符合实际需要。

  “如同科学实验中经常使用的果蝇、斑马鱼,酿酒酵母是生物学研究中的‘模式真核单细胞生物’。”元英进说,通过对酿酒酵母的改造,可以更透彻地了解机体的生物学机制、反应,以及对各种环境的适应和进化过程等,这将有助于解决人类生存面临的能源短缺、环境污染等问题。

  中国科学家此次所取得的进展,被誉为继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破,开启人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。合成酵母菌株展现出与野生型高度相似的生命活性,人工设计合成的酿酒酵母基因组还具有可增加、可删减的高度灵活性。

  简而言之,科学家的工作就好似重新设计计算机的操作系统,但没有改变屏幕、鼠标等硬件。“目前是基于生命基础上的设计,并没有脱离对自然的模仿,将来可能会实现重塑。”天津大学青年教师、2篇学术论文的共同第一作者李炳志告诉科技日报记者,人类所需的氨基酸和蛋白质都可通过酵母合成。

  华大基因合成生物学项目负责人沈玥说,通过应用生物技术,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,用酵母菌合成青蒿素已经产业化,成本远低于传统的植物提取。

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