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中国科学家取得突破:能像搭积木一样合成"人工酵母"

作者:   文章来源:cnbeta网站   发表时间:2017-03-28    点击量:
《科学》杂志封面上人工设计的酵母染色体的三维模拟图。

  “就像一篇文章,我们读懂是非常重要的,但是我们如果来编写,那这个任务就更加艰巨。”在中国科学院院士、华大基因理事长杨焕明看来,这个项目是人类认识自然的历史上的一个重大突破。
  “酵母的突破比动植物重要”
  为什么选择酵母作为第一个模式生物?“我们认识生命的很多里程碑都是以酵母作为材料的,有很多重要的现象都是通过研究酵母来发现、来实现的,因此酵母的突破,我总觉得比以后植物、动物包括人类的任何一个突破都更加重要。”杨焕明说。
  在杨焕明看来,今天生物产业最重要的就是发酵产业,“所有的药品,特别是遗传工程的药品都是用酵母来生产,以后人需要的东西也要靠酵母来生产,你看我们每天吃的面包,发面包的是酵母,我们喝的酒,那不也是酵母酿造的吗?”
  据了解,“酵母基因组人工合成项目”成立的初衷是实现人工合成真核生物酿酒酵母的全部16条染色体(1200万个碱基,大小约为人基因组的0.5%),即实现酵母的生命源代码的完全人工编写与合成。该项目由美国发起,中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等国家的多个研究机构共同协作。2014年,实现了第一条染色体———3号染色体的全合成。如今,在国际团队的协作和努力下,再度完成了2号、5号、6号、10号和12号5条染色体的从头设计与全合成。
  来自华大基因、天津大学、清华大学的中国科学家团队完成了其中的4条,占目前总完成数量的66.7%。清华大学戴俊彪研究员带领的团队完成了最长的12号染色体的全合成。天津大学化工学院教授元英进带领的天津大学团队完成了5号、10号染色体的合成。
  而杨焕明领衔的华大团队,主导了2号染色体的从头设计与全合成(长770kb)。据了解,在设计中,华大基因团队简化了原有的基因组,设计了许多特殊的“元件”,增加了人工设计的“开关”,简化了编码,充分展现人类对于基因组编写能力已接近于计算机语言的可用性。
  “我觉得没有我们中国科学家参与这个的话,整个项目是不会有今天这样的结果,”2号染色体的文章第一作者,深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沈玥说,最早完成的3号染色体项目大概在300kb级别,而中国团队这次完成的染色体基本上是兆级水平,也就是在原来的难度上是翻番的,中国团队不仅做了大量的工作,在技术方面也做了很多的突破。
  设计染色体不靠显微镜
  那么,给酵母设计染色体,科学家们是怎么做到的?需要什么样的高倍显微镜?戴俊彪告诉南都记者,大家能够看到的各种性状都是由遗传物质,也就是DNA决定了的。他们设计的实际上是这些单细胞生物的遗传物质。“我们设计什么样的DNA,就可以利用这些设计好的DNA来获得我们所需要的形状。所以在染色体设计过程中并不需要显微镜,我们需要计算机!”
  戴俊彪说,虽然设计过程很简单,一天可以设计很多种,但设计一个能够实现目的的染色体很难。那时,他们的设计软件还没有开发好,很多地方都是人工设计的,12号染色体的设计大概花了两个月的时间。
  况且,大多数的时候,他们不仅无法知道设计的染色体最后是否能够工作,而且要知道它能否工作需要很长的周期。“主要的时间都花费在了合成上面,就是从很短的DNA片段,组装到最后的染色体过程。”
  “合成染色体是通过把长的染色体序列先分解,变成我们搭的积木那种一小块一小块。这样一小块的DNA可以进一步分解成为更小块的DNA。”戴俊彪告诉南都记者,染色体的合成过程就是把这些小的片段怎么样从小的片段变成大的片段,从短的到长的,分级组装起来的过程,其中涉及很多具体的技术,并不是一个简单的过程。


 
  解说
  人工酵母与天然酵母区别在哪儿?
  “我觉得要从一个表象或者一些基因的情况来看,他们之间的区别不是太大,但是我们不是真正的从零开始去整个设计它,不是产生一个全新的酵母,说实话我们的知识水平和认知水平还远远没达到,”戴俊彪说,就像装修“二手房”一样,虽然从表象来看的话,并没有什么特别大的区别,但是实际上他们在里面做了很多的改造。“我们没有改造梁,但是这边加了开关,那边加了装饰品,这是我们觉得应该加的地方。”有人把人工合成酵母称作“人造生命”。“我们反对把它称作人造生命,因为我们还是按照自然的规律将自然生命做必要修改,还不是完全从零开始重新再造一个生命。”杨焕明对南都记者直言。