前沿｜首次一步改造关键基因，合成生物学又出重磅成果

▎药明康德/报道

今天，来自J. Craig Venter 研究所（JCVI）和 Synthetic Genomics 公司（SGI）的研究人员在《Scientific Reports》杂志上发表了合成生物学和合成基因组学领域的又一重大成就，他们巧妙的结合了CRISPR／Cas9基因编辑技术和酵母同源重组机制系统，首次创造了一步合成丝状支原体（Mycoplasma mycoides ）16S核糖体RNA的人工方法。

迄今为止，核糖体RNA是所有生命分支系统中已知的最保守基因之一，因而往往被用于跟踪生命的进化过程。虽然它们在蛋白质合成过程中担负着基础性功能，但由于它们几乎在每一个基因组中都以多拷贝形式存在，人工合成这类分子仍是一巨大挑战。

因为小而简单的基因组和基因架构， 以大肠杆菌为代表的细菌被广泛作为模式生物来研究基本生物学功能；同时，随着CRISPR／Cas9系统的快速发展，在原核生物中进行基因编辑逐步变得容易。于是， JCVI/SGI研究团队人员充分利用他们在合成生物学领域开发众多新工具方面的专长，旨在把这些工具结合起来合成具有挑战性的16S核糖体基因。

▲人工合成16S rRNA的流程（图片来源：《Scientific Reports》杂志）

首先，研究人员把一个丝状支原体基因组以环形酵母人工染色体（YAC）形式克隆进了一个酵母菌株，该酵母自身含有Cas9基因，可组成性地表达Cas9蛋白。接下来，这个YAC上的野生型“rrs”16S rRNA基因被替换成了无功能性的“ura3"基因。为了有针对性的编辑丝状支原体的染色体基因组， 他们使用电转化方法把体外转录的导向RNAs（gRNAs）和供体DNA分子导入了酵母菌株。这些供体DNA分子上含有合成的具有突变的“rrs*”16S rRNA基因，便有效利用了CRISPR／Cas9系统和同源重组批量取代了无功能的“ura3"基因。 于是，综合酵母的同源重组机制、基因组移植工具以及CRISPR/Cas9编辑技术， JCVI/SGI研究团队开发出了一种高效、高通量的平台来人工合成16S rRNA这类必需基因。

▲含有突变的合成16S rRNA（图片来源：《Scientific Reports》杂志）

领导该团队的 Krishna Kannan 博士和 Daniel G. Gibson 博士表示认为，这个新的技术组合不仅仅在合成生物学领域可被广泛应用于研究16S rRNA的具体功能，还有助于更广泛地探讨任何遗传结构难题，回答一系列与生命相关的基本问题。

JCVI/SGI 团队在合成生物学研究领域具有长期而且成功的历史传统。早在1999年他们就发表了奠基性的研究工作；2010年，他们的努力得到回报，合成了第一个人造细胞——丝状支原体 JCVI-syn1.0；今年3月，该团队构建了世界上最小人造细胞——JCVI-syn3.0：此最小生命元件仅包含了531560个碱基对、473个基因，是可以在实验室培养基中生长的最小基因组生物体。

参考资料：

[1] Teams at Venter Institute and Synthetic Genomics, Inc. Successfully Engineer 16S rRNA using One Step Process Combining CRISPR/Cas9 Systems and Yeast Recombination Machinery

[2] One step engineering of the small-subunit ribosomal RNA using CRISPR/Cas9

[3] Venter Institute 和 Synthetic Genomics官方网站