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中國科學家取得突破:能像搭積木一樣合成"人工酵母"

作者:   文章來源:cnbeta網站   發表時間:2017-03-28    點擊量:
《科學》雜志封面上人工設計的酵母染色體的三維模擬圖。

  “就像一篇文章,我們讀懂是非常重要的,但是我們如果來編寫,那這個任務就更加艱巨。”在中國科學院院士、華大基因理事長楊煥明看來,這個項目是人類認識自然的歷史上的一個重大突破。
  “酵母的突破比動植物重要”
  為什么選擇酵母作為第一個模式生物?“我們認識生命的很多里程碑都是以酵母作為材料的,有很多重要的現象都是通過研究酵母來發現、來實現的,因此酵母的突破,我總覺得比以后植物、動物包括人類的任何一個突破都更加重要。”楊煥明說。
  在楊煥明看來,今天生物產業最重要的就是發酵產業,“所有的藥品,特別是遺傳工程的藥品都是用酵母來生產,以后人需要的東西也要靠酵母來生產,你看我們每天吃的面包,發面包的是酵母,我們喝的酒,那不也是酵母釀造的嗎?”
  據了解,“酵母基因組人工合成項目”成立的初衷是實現人工合成真核生物釀酒酵母的全部16條染色體(1200萬個堿基,大小約為人基因組的0.5%),即實現酵母的生命源代碼的完全人工編寫與合成。該項目由美國發起,中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等國家的多個研究機構共同協作。2014年,實現了第一條染色體———3號染色體的全合成。如今,在國際團隊的協作和努力下,再度完成了2號、5號、6號、10號和12號5條染色體的從頭設計與全合成。
  來自華大基因、天津大學、清華大學的中國科學家團隊完成了其中的4條,占目前總完成數量的66.7%。清華大學戴俊彪研究員帶領的團隊完成了最長的12號染色體的全合成。天津大學化工學院教授元英進帶領的天津大學團隊完成了5號、10號染色體的合成。
  而楊煥明領銜的華大團隊,主導了2號染色體的從頭設計與全合成(長770kb)。據了解,在設計中,華大基因團隊簡化了原有的基因組,設計了許多特殊的“元件”,增加了人工設計的“開關”,簡化了編碼,充分展現人類對于基因組編寫能力已接近于計算機語言的可用性。
  “我覺得沒有我們中國科學家參與這個的話,整個項目是不會有今天這樣的結果,”2號染色體的文章第一作者,深圳國家基因庫合成與編輯平臺負責人沈玥說,最早完成的3號染色體項目大概在300kb級別,而中國團隊這次完成的染色體基本上是兆級水平,也就是在原來的難度上是翻番的,中國團隊不僅做了大量的工作,在技術方面也做了很多的突破。
  設計染色體不靠顯微鏡
  那么,給酵母設計染色體,科學家們是怎么做到的?需要什么樣的高倍顯微鏡?戴俊彪告訴南都記者,大家能夠看到的各種性狀都是由遺傳物質,也就是DNA決定了的。他們設計的實際上是這些單細胞生物的遺傳物質。“我們設計什么樣的DNA,就可以利用這些設計好的DNA來獲得我們所需要的形狀。所以在染色體設計過程中并不需要顯微鏡,我們需要計算機!”
  戴俊彪說,雖然設計過程很簡單,一天可以設計很多種,但設計一個能夠實現目的的染色體很難。那時,他們的設計軟件還沒有開發好,很多地方都是人工設計的,12號染色體的設計大概花了兩個月的時間。
  況且,大多數的時候,他們不僅無法知道設計的染色體最后是否能夠工作,而且要知道它能否工作需要很長的周期。“主要的時間都花費在了合成上面,就是從很短的DNA片段,組裝到最后的染色體過程。”
  “合成染色體是通過把長的染色體序列先分解,變成我們搭的積木那種一小塊一小塊。這樣一小塊的DNA可以進一步分解成為更小塊的DNA。”戴俊彪告訴南都記者,染色體的合成過程就是把這些小的片段怎么樣從小的片段變成大的片段,從短的到長的,分級組裝起來的過程,其中涉及很多具體的技術,并不是一個簡單的過程。


 
  解說
  人工酵母與天然酵母區別在哪兒?
  “我覺得要從一個表象或者一些基因的情況來看,他們之間的區別不是太大,但是我們不是真正的從零開始去整個設計它,不是產生一個全新的酵母,說實話我們的知識水平和認知水平還遠遠沒達到,”戴俊彪說,就像裝修“二手房”一樣,雖然從表象來看的話,并沒有什么特別大的區別,但是實際上他們在里面做了很多的改造。“我們沒有改造梁,但是這邊加了開關,那邊加了裝飾品,這是我們覺得應該加的地方。”有人把人工合成酵母稱作“人造生命”。“我們反對把它稱作人造生命,因為我們還是按照自然的規律將自然生命做必要修改,還不是完全從零開始重新再造一個生命。”楊煥明對南都記者直言。
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