我國實(shí)現(xiàn)合成生物學(xué)里程碑式突破

近日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員覃重軍研究團(tuán)隊(duì)及其合作者在國際上首次人工創(chuàng)建了單條染色體的真核細(xì)胞。該成果于北京時(shí)間8月2日發(fā)表在《自然》上，是合成生物學(xué)領(lǐng)域具有里程碑意義的突破。
　　人類能否創(chuàng)造生命?2010年，美國科學(xué)家J. Craig Venter團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》上報(bào)道了世界上首個(gè)“人造生命”——含有全人工化學(xué)合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體，引起轟動(dòng)。此次，以覃重軍研究組為主的研究團(tuán)隊(duì)完成了將單細(xì)胞真核生物釀酒酵母天然的十六條染色體人工創(chuàng)建為具有完整功能的單條染色體。該項(xiàng)工作表明，天然復(fù)雜的生命體系可以通過人工干預(yù)變簡約，自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創(chuàng)造全新的自然界不存在的生命。
　　生物學(xué)教科書中將自然界存在的生命體分為具有被核膜包裹染色體細(xì)胞核的真核生物和染色體裸露無核膜包裹的原核生物。染色體攜帶了生命體生長與繁殖的遺傳信息，真核生物通常含有線型結(jié)構(gòu)的多條染色體，而原核生物通常含有環(huán)型結(jié)構(gòu)的一條染色體。
　　在該研究中，覃重軍假設(shè)真核生物也能像原核生物一樣，用一條線型染色體裝載所有遺傳物質(zhì)并完成正常的細(xì)胞功能，并與副研究員薛小莉“工程化精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”定制人造單染色體酵母的指導(dǎo)原則以及理性分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、工程化推進(jìn)總體方案。博士研究生邵洋洋從2013年開始嘗試并發(fā)展高效的染色體操作方法，歷經(jīng)4年時(shí)間，通過15輪染色體融合，成功創(chuàng)建了只有一條線型染色體的釀酒酵母菌株SY14。
　　此后，覃重軍研究組進(jìn)一步與中科院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員趙國屏研究組、中科院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所研究員周金秋研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院研究員趙志虎等合作，深入鑒定SY14的代謝、生理和繁殖功能及其染色體的三維結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，雖然人工創(chuàng)建的單條線型染色體的三維結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，但SY14酵母具有正常的細(xì)胞功能，這顛覆了染色體三維結(jié)構(gòu)決定基因時(shí)空表達(dá)的傳統(tǒng)觀念，揭示了染色體三維結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生命功能的全新關(guān)系。
　　釀酒酵母是研究染色體異常的重要模型，1/3基因與具有23對染色體的人類基因同源。端粒是線型染色體末端的保護(hù)結(jié)構(gòu)。隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加，端粒的長度逐漸縮短，當(dāng)端粒變得不能再短時(shí)，細(xì)胞就會(huì)死亡。人類的過早衰老與染色體的端粒長度直接相關(guān)。此外，端粒的縮短還與基因突變，腫瘤形成等許多疾病相關(guān)。與天然酵母的32個(gè)端粒相比，覃重軍研究團(tuán)隊(duì)人工創(chuàng)造的單條線型染色體僅有2個(gè)端粒，為研究人類端粒功能及細(xì)胞衰老提供很好的模型。
　　該研究成果是通過經(jīng)典分子生物學(xué)“假設(shè)驅(qū)動(dòng)”與合成生物學(xué)“工程化研究模式”來探索解析生命起源與進(jìn)化中重大基礎(chǔ)科學(xué)問題的新范例。將天然復(fù)雜的酵母染色體通過人工改造以全新的簡約化形式表現(xiàn)出來，是繼原核細(xì)菌“人造生命”之后的一個(gè)重大突破。單染色體酵母的“誕生”，連同我國科學(xué)家參與的酵母染色體全人工合成工作，是繼20世紀(jì)60年代人工合成結(jié)晶牛胰島素和tRNA之后，中國學(xué)者再一次利用合成科學(xué)策略，去回答生命科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重大的基礎(chǔ)問題，即建立原核生物與真核生物之間基因組進(jìn)化的橋梁。這是合成生物學(xué)“建物致知”理念的生動(dòng)體現(xiàn)，為人類對生命本質(zhì)的研究，開辟了新方向。