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人工合成酵母染色体 打破生命与非生命界限

2018-08-30 15:32 来源:光明日报

“人工合成酵母染色体”,这一合成生物学领域的“关键词”随着中国学者高水平科研成果的问世,逐渐进入公众视野。2017年3月,天津大学、清华大学、华大基因的中国科学家在真核生物基因组设计与化学合成方面取得重大突破,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,研究成果形成的4篇论文以封面的形式在国际顶级学术期刊《科学》上发表。

2018年3月,天津大学合成生物学元英进教授牵头负责的“酵母长染色体的精准定制合成”研究成果入选2017年度中国科学十大进展。5月,元英进团队在《自然·通讯》杂志同期发表三篇研究长文,宣布开发出新型的基因组重排技术。

化学再造遗传信息:帮助人类更深刻理解基础生物学

DNA重组技术取得突破,分子生物学异军崛起,基因工程产业迅速发展……一系列生物技术成果的取得使合成生命的原材料核苷酸得以快速生产制备,也使“合成生物学”得以站在“巨人的肩膀”上快速成长。即便如此,从小分子核苷酸到活体真核染色体的定制精准合成依旧困难重重,元英进团队为此付出了10年努力。

整个染色体合成过程按照“设计-合成-检验”三个环节循环进行。首先通过计算机辅助设计出待合成的酵母染色体的基因序列,然后将合成好的DNA片段逐轮导入酵母内,来组装和替换天然的野生型染色体,最终再对已经替换好染色体的合成酵母细胞进行生长的检验和确认。

“最大的挑战并不是实验操作的复杂性,而是由于生物体本身的复杂性和我们对基因组认知的局限性而导致合成型基因组引起细胞生长缺陷。”研究团队在合成染色体的过程中发现合成后的酵母出现众多的生长缺陷,这让天津大学化工学院合成生物学副教授吴毅陷入焦虑。通过深入研究,他们从大量的候选菌株基因型的表征中发现缺陷基因靶点,开发出一种利用混菌策略和PCR标签高效定位生长缺陷靶点的方法。这也为国际项目团队完成合成工作提供了技术支撑,提高了合成效率。

元英进带领的天津大学团队完成了酿酒酵母16条中的染色体5号、10号(synV、synX)两条染色体的化学合成,并开发了高效的染色体缺陷靶点定位技术和染色体点突变修复技术。戴俊彪研究员带领清华大学团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体(synXII)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(synII)的合成及深度基因型-表型关联分析。

“突破合成型基因组导致细胞失活的难题,设计构建染色体成环疾病模型,开发长染色体分级组装策略,证明人工设计合成的基因组具有可增加、可删减的灵活性。”5号酵母染色体合成论文作者、天津大学化工学院副教授谢泽雄向记者介绍了他的科研成果,其中的一些已经走向应用。

人工合成酵母染色体打破生命与非生命界限

天津大学化工学院副教授谢泽雄在做相关实验。光明图片

“化学合成酵母一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题;另一方面可以通过基因组重排系统,实现快速进化,得到在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。”元英进表示。

基因组重排:人工合成染色体走向应用

“人工合成酵母染色体有什么用?”这是元英进经常被问及的问题。

虽然合成酵母具有广阔的发展前景和科研价值,但作为基础研究,想要在应用领域出成果,着实不易。但元英进团队给出了合成酵母“应用研究”的一条新路。

2018年5月,天津大学合成生物学研究团队在《自然·通讯》杂志同期发表3篇研究长文,介绍了精确控制基因组重排技术等一系列研究成果。

这是继人工合成酵母染色体打破非生命物质和生命物质界限后,中国科学家在“设计生命、再造生命、重塑生命”进程中的又一重大技术进展,开启了合成生物学研究中基因组重排这一全新的研究领域。

在合成酵母染色体的基础上,科研人员研究出能够精准控制基因重排的方法,使作为研究对象的微生物——酵母菌,在有限时间内产生几何级增长的基因组变异,驱动其快速进化。

研究人员还通过酵母交配的方式,将合成型酵母与野生型酵母相结合,用基因组重排系统实现跨物种酵母的基因组重排。目前,精确控制基因组重排技术已经可以脱离细胞,在体外实现,这一方法将大大提高构建基因结构变异文库的效率。

他们团队还开创多种方法使变异后的酵母菌株具备稳定的生物活性,并作为细胞工厂来高效率产出β-胡萝卜素,合成酵母的β-胡萝卜素产量比从前提升了38.8倍。

“多种基因组重排技术可以大幅加速生产菌株的快速进化,解析基因组结构变异与功能发现之间的关系,提升能源医药化学品的生产合成,对于工业菌株进化和功能知识发现具有重要意义。”吴毅说。

在合成酵母染色体的基础上,天津大学的科研人员已经成功构建了一系列产物的生物合成路径,有效合成了天然产品、化学品、医药以及燃料等。比如,高产番茄红素和丹参素的酵母菌株都已经研制成功。

“从生产过程来说,过去需要种植植物以萃取含量很低的有效成分,例如青蒿素,现在人工合成酵母就可以生成,可减少对环境的破坏。”元英进说。

合成生物学:打造“像电路一样运行”的人造生物系统

“合成生物学是利用天然或人工生物学元器件对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成,从而获得重构或非天然的新生命系统。”元英进给出了合成生物学的定义,“合成生物学包括新型人工生物元器件设计构建、人工基因组设计构建、人工单细胞和多细胞系统构建及其在工业、农业、医学等领域规模化应用。”

简言之,合成生物学的目标就是以科学方法“设计生命、再造生命、重塑生命。”

合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科。传统生物学是通过解剖生命体以研究其内在构造,合成生物学是从最基本的要素开始一步步建立零部件,设计再造出新的生命。

合成生物学与人们熟知的“克隆技术”这类基因工程也不相同。基因工程是把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种,而合成生物学是要建立人工生物系统,“让它们像电路一样运行”。

重塑生命,这正是合成生物学这一新兴科学的核心思想。它致力于从零开始建立生物基因组,从而分解、改变并扩展自然界在40亿年前建立的基因密码。

自40多亿年前生命体系诞生以来,自然遗传规律是生命代代相传生生不息的基本规律。生命遗传物质基因组也只能通过自然复制得以延续。

随着DNA重组技术等分子生物学研究的突破,科学家们开始尝试打开“人造生命”的大门。

2000年,美国科学家率先在大肠杆菌中利用基因元件构建“逻辑线路”成功,标志着合成生物学的起步。

2003年,美国克雷格·文特尔研究团队用人工合成的方法,成功组装出了包含5386个碱基的fX174噬菌体基因组,实现病毒人工基因组的化学合成;到2010年,他们终于构建出一个仅由合成染色体控制的新的蕈状支原体细胞——“辛西娅”。

这一原核细胞具有生命活性,遗传信息全部由人工合成,打破了生命自然遗传规律,证明了人工合成生命的可行性,成为合成生物学发展史上的一个里程碑。

“辛西娅”是原核生物中最为简单的支原体,遗传信息相对于真核生物细胞来说十分简单。生物学划分生物种类最大的界别依据并不是植物和动物,也不是多细胞和单细胞生物,而是原核生物和真核生物。

顾名思义,真核和原核的最大区别就是是否有成型的细胞核。像生活中无处不在的细菌就属于原核生物,它们的遗传物质漂浮在细胞内。真菌、动植物等真核生物拥有完整的细胞核,核内有染色体,染色体上有着生命遗传信息的集大成者——DNA。

真核细胞的DNA丰富庞杂,通常会包含数亿甚至数十亿碱基对信息,合成一个真核生物染色体是一项非常艰巨的任务。

在合成“辛西娅”这一原核生命之后,科学家们将目光转向了生物学研究中的模式真核单细胞生物——酿酒酵母。

在日常生活中,酵母离我们并不远,做馒头、做面包、酿酒都会用到。酵母还能用于生产抗体、蛋白药物、小分子药物以及生物燃油。

“我们设计酵母时有几个原则:让基因组具有更好的稳定性、更好的操作柔性和可变性。酵母有三分之一的基因和人类基因有同源性,酵母体系一旦再造,对整个人类疾病的研究也是一个利好消息。”吴毅说。

“‘辛西娅’只有一条环形的染色体,而酵母有16条线性染色体。酵母属于真核生物中的模式生物,本身有很高的理论研究价值和广泛的工业应用。一旦攻克了酵母基因组的合成,就可以进行其他超大基因组的合成。”元英进说,若想要实现真正意义上的“人造生命”,真核生物的染色体合成是必须要跨越的一步。

为推进真核酵母染色体的人工合成研究,“人工合成酵母基因组计划(Sc2.0)”应运而生,该项目由美国科学院院士杰夫·伯克发起,有美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作,致力于设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组。

在国际合作组的通力协作下取得了突破性进展:继2014年美国科学家人工合成酵母3号染色体后,5条酵母人工染色体合成也被攻克,中国科学家完成了其中的4条。该重量级成果于2017年3月10日发表在权威学术期刊《科学》上。

中国科学家在合成生物学这个交叉学科领域后来居上,正在由“跟跑”“并跑”转向“领跑”。

元英进是Sc2.0计划的国际化推动者及中国最早参与者,领队攻克2条酵母染色体人工合成,他的团队以第一作者和通讯作者身份在《科学》上发表了两篇文章。

“酿酒酵母基因组合成国际计划将人工合成生命的研究,由病毒和原核生物拓展提升到了真核生物,使得基因组人工设计和合成的尺度大大提升。”元英进说。

(记者陈建强、刘茜 通讯员赵习钧)

[ 编辑: 郭夏凡 ]
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