由酿酒酵母开启的重塑生命计划
前沿科技解读丨由酿酒酵母开启的重塑生命计划
2018-01-15
今日科协
今日科协
文/栾晓东
人工合成酵母基因组计划
“人工合成酵母基因组计划”是国际科学界发起的酿酒酵母基因组合成计划。这项研究计划具有很重要的现实意义，这个领域的快速突破，将给生物制造、医药、能源、环境、农业等领域，带来颠覆性的发展。近日，参与该研究项目的中国科学家取得了突破性的科研进展。2017年3月10日出版的国际顶级学术期刊《科学》，还以封面的形式同时刊发了中国科学家的4篇相关研究长文！
这是怎样一个厉害的生物技术呢？下面就让我们来一探究竟。
近日，《科学》杂志封面文章登载的由天津大学、清华大学和华大基因分别完成的4篇长文，介绍了真核生物基因组设计与化学合成方面的系列重大突破：完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的完整设计与化学合成——要知道，酿酒酵母总共有16条染色体，此前国际同行奋斗多年才发现了1条。那么什么是人工合成？其研究意义又是什么呢？
人工合成，说到这个词我们就不得不提到一个新兴的学科——合成生物学。所谓合成生物，就是与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相反的，它则是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的做法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统，让它们像电路一样运行。
简单来说，就拿我们都做过的一个初中物理实验来说，我们通过并联和串联的方式将电线和灯泡、开关等进行组装，最终点亮灯泡。合成生物学指人们将“基因” 连接成网络，让细胞来完成设计人员设想的各种任务。这听起来很简单，但在复杂的生物体内，这项工作就显得尤为不易。
此次，中国科学家团队完成了4条真核生物染色体的合成，占目前总完成数量的66.7%。
▲生物打印的可视化酵母的16个染色体
在我们对生物的基本了解中，DNA是生物的主要遗传物质。DNA主要存在于细胞核中，被核膜所包裹，这样的生物被称为真核生物。而原核生物的遗传物质是裸露的，没有核膜包裹。引起感冒症状产生的流感病毒，它们只能寄生在人体等宿主中，它们没有细胞结构，所以被称之为非细胞生物。
说起酵母菌，去年获得诺贝尔生理学或医学奖的大隅良典的工作就是在酵母菌中完成的，它也是一类真核生物，所以它是具有细胞核结构的，它也是我们所说的模式生物。所谓模式生物，就是通过对选定的生物物种进行科学研究，从而揭示某种具有普遍规律的生命现象，那么这类物种就被称为模式生物。
在生物的基因表达过程中，有一个由发现DNA 双螺旋结构的科学家克里克提出的“中心法则”，就是DNA通过RNA聚合酶的作用转录形成RNA，RNA再在核糖体和转运RNA的作用下翻译形成蛋白。就是沿着这个不断流动的方向，DNA最终发挥功能。
但是在真核生物的基因调控中，有很多复杂的过程，这里举一个简单的例子，就是RNA的成熟。生物的遗传物质想要发挥功能，就要通过一系列的过程，首先就是DNA转录形成的RNA。但是并不是所有的RNA都会翻译形成蛋白质，有一部分参与基因调控的就是非编码RNA，之所以称之为非编码RNA，就是因为它不会编码或者翻译形成蛋白质。
▲酵母电镜照片
而我们的信使RNA，也就是最终会形成蛋白质或者翻译的RNA，也需要在剪接体（进行RNA剪接时形成的复合物）的作用下，进一步成熟。
其实，真核生物的遗传物质也很复杂，染色体是我们遗传物质的聚合体，它上面不仅仅含有大家了解的DNA，更含有一些蛋白质的成分。
那么染色体是怎么完成组装的呢？大家知道DNA是典型的双螺旋结构，在1953年由年仅25 岁的詹姆斯·沃森和37岁的弗朗西斯·克里克共同发现的。而染色体呢？染色体是细胞内具有遗传性质的遗传物质深度压缩形成的聚合体，易被碱性染料染成深色，所以叫染色体（由染色质组成）。就像成串的珠子一样，DNA为绳，组蛋白为珠，染色质发生螺旋就形成了二级结构，再发生螺旋就形成三级结构，这是一个复杂的折叠过程。
科学家目前已经完成了病毒、噬菌体、细菌等物种的基因组设计与构建，并且这些人工合成的基因组也能够正常地完成自我复制和繁衍等生物功能。
这么多的研究内容似乎都是很基础的理论研究，但是这项基础研究又会给我们的现实生活带来哪些影响呢？这次发表的实验成果，主要通过对酿酒酵母基因组的设计、合成以及改造，以期能够从全基因组水平更透彻地理解遗传物质发挥功能的生物学机制、遗传信息的传递与调控，从而帮助人类有目的地设计和改造生命体，实现预设功能，有效解决人类目前面临的环境污染、粮食短缺等重大挑战。
就像输入计算机编程语言一样，让生物体发挥功能，把生物体当成一台复杂的计算机，而蛋白质和其他功能就是显示器和运算结果，这样，人类就可以有效和高水平地表达我们想要的一些化合物。
例如把基因网络同简单的细胞相结合，可提高生物传感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置。再如向基因网络加入人体细胞，可以制成用于器官移植的完整器官。
其实，如果说上帝是造物主的话，合成生物学扮演的就是“上帝之手”的角色，它与传统的解剖生物学的手段相比，是让科学家们自己完成设计和制造的一个过程，从最基本的要素开始一步步建立零部件。重塑生命，这正是合成生物学这一新兴科学的核心思想。
看了前面的介绍，很多人对合成生物一定是兴致勃勃了。合成生物学可以通过修复细胞功能、消除肿瘤、刺激细胞生长和使某些决定性细胞再生，实现治疗各种疾病的目的，但是合成生物学的研究仍然处于刚刚起步的阶段。
对于通过合成生物学制成的复杂有机体而言，如果它是由各种来源的遗传序列组合而成或者含有人工DNA，就很难确定其“遗传谱系”。另外，重组后的遗传序列是否保留其原有的功能，或者新组分之间是否会产生协同反应从而导致异常的功能、行为，也是个问题。随着对有关遗传成分认知的增加，科学家们也许可以预测新的遗传改造所具有的功能，但是，和自然物质的遗传成分合成的有机体可能会表现出原来没有过的“新行为”（新的性状）。
合成生物学的手段也可以合成病毒、噬菌体等有可能危害人类健康的生物，很多的生物伦理和生物安全问题也等待着大家解决。无论未来是喜是忧，我们都期待这一技术能给我们带来惊喜。
