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世界首例“單條染色體的釀酒酵母”誕生記
2018-08-11 09:15:28 來源: 經濟日報
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  原標題:我國科學家全球首次人工創建了自然界中本不存在的簡約生命——

  人造酵母誕生記

  在中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所內,覃重軍(右)與團隊成員在實驗室研究交流。 (新華社發)

人造單條染色體酵母的染色體三維結構圖。(沈慧供圖)

  釀酒酵母大家都不陌生。它原本有16條染色體,然而幾天前,世界首例“單條染色體的釀酒酵母”問世——它不僅是地地道道的中國制造,還成為合成生物學和“人造生命”領域裏程碑式的進展

  釀酒酵母大家都不陌生。它原本有16條染色體,然而幾天前,世界首例“單條染色體的釀酒酵母”問世——它不僅是地地道道的中國制造,還成為合成生物學和“人造生命”領域裏程碑式的進展

  對中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所研究員覃重軍來説,這一次他和偶像的“重逢”有點獨特。8月2日,國際頂級學術期刊《自然》“背靠背”同時在線發表了兩篇有關酵母染色體的成果,一篇來自覃重軍團隊,另一篇則來自酵母染色體人工合成領域的“老將”——美國科學院院士傑夫·博伊克。

  不同的是,這一次覃重軍團隊領先一步,在國際上首次人工創建了自然界中本不存在的簡約生命——僅含單條染色體的酵母真核細胞。“該成果讓世界了解到生命形式可以通過人工改造化繁為簡,也意味著自然生命的界限可以被人為打破,甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命。”覃重軍解釋。

  “大膽猜想”——

  人工合成僅含單條染色體的真核生物

  自然界中的生命體大體分為兩類,一類是染色體細胞核被核膜包裹的真核生物,如人類、動物、植物、真菌、酵母;一類是染色體裸露無核膜包裹的原核生物,如細菌。在自然界漫長的進化過程中,不同生命體逐漸形成了自身特有的基因組,包括相對固定的染色體數目。

  不過,攜帶了生命體生長與繁殖遺傳信息的染色體,其數量因物種而異:人類擁有23對染色體,近親猿類有24對,小鼠有20對,果蠅有4對……為何染色體數目參差不齊?特定的染色體數量是否給特定物種提供了某種優勢?這些未知,事關生命本質,也激起了覃重軍的好奇心。

  “含有多條線型結構染色體的真核生物,是否也能像原核生物一樣,用一條染色體裝載所有遺傳物質並實現正常的細胞功能?”“是否可以人造一個含有單條染色體的真核生物,使其具備正常的細胞功能?”這些大膽設想在覃重軍腦中盤旋了很久,最終被付諸實踐。

  覃重軍的“異想天開”並非毫無科學根據。2010年,曾領銜人類基因組計劃的美國科學家克雷格·文特爾和他的科研團隊已在《科學》雜志報道了世界首個“人造生命”——含有全化學合成的與天然染色體序列幾乎相同的,由基因組控制的原核生物——支原體,由此引起了轟動。無獨有偶,就在2017年,美國紐約大學朗格尼醫學中心傑夫·博伊克教授領導的包括中國團隊在內的全球協作組,完成了釀酒酵母5條染色體的化學合成,成功提供了第二個實證。

  目標已定,覃重軍將試驗對象鎖定在釀酒酵母身上。面對眾多真核生物,之所以選中小小的釀酒酵母而非其他,覃重軍有兩方面的考量:一是釀酒酵母有三分之一基因與人類基因同源;二是相比其他動植物,釀酒酵母遺傳背景更清晰,操作更方便。

  “作為一種模式單細胞真核生物,如果科學家在釀酒酵母上有了新發現,相關研究成果或許可以推廣應用到高等動植物上。”覃重軍説。

  基因“魔剪”——

  剪掉冗余重復基因信息

  酵母是研究染色體異常重要的模型材料,全球上萬名科學家對其潛心鑽研已有半個多世紀。然而,2013年,隨著試驗啟動,“人工合成單染色體酵母?覃老師您瘋了吧!”此類質疑紛至沓來。

  “沒有大膽的猜想,就做不出偉大的發現。”面對外人的質疑和冷眼,覃重軍用牛頓的這句話反復自我告誡。彼時,覃重軍還不知道,世界的另一個角落,傑夫·博伊克也開始了酵母染色體融合的研究。

  理想很豐滿,現實很骨感。以染色體融合為例。一條完整的真核線型染色體,通常包含一個用于染色體分離的著絲粒和兩個用于保護染色體末端的端粒。為實現兩條染色體的融合,不僅需要將兩條染色體的兩個端粒去除後相互連接起來,同時還需要將兩條染色體中一條的著絲粒去除,從而保證染色體在細胞分裂過程中正常的分離。怎麼辦?沒有任何經驗可供借鑒的覃重軍帶領研究團隊摸著石頭過河。

  16條染色體變15條、變14條、再變13條……時光不負情深,4年努力攻關,15輪染色體融合,覃重軍團隊最終成功創建了只有一條線型染色體的釀酒酵母真核細胞——釀酒酵母菌株SY14。這也是國際首例人造單染色體真核細胞。

  這一人工合成的“新生命”後續表現如何?覃重軍研究組進一步與合成生物學重點實驗室趙國屏院士研究組、中國科學院生物化學與細胞生物學研究所周金秋研究員研究組、菲沙基因信息公司團隊等合作,深入鑒定SY14的代謝生理和繁殖功能,以及其染色體的三維結構。結果表明,人工創建的單染色體酵母的三維結構雖然發生了巨大變化,但仍具有正常的細胞功能。

  換句話説,將釀酒酵母攜帶的16條天然染色體人工合成為具有功能的單條巨大染色體後獲得的釀酒酵母,其染色體結構盡管發生了巨變,細胞生長卻跟原來一模一樣,功能也幾乎都是一樣的。從基礎研究的角度來説,這是人工造出了一個簡約化的生命體。“這一結果顛覆了染色體三維結構決定基因時空表達的傳統觀念,也由此揭示了染色體三維結構與實現細胞生命功能的全新關係。”覃重軍表示。

  “傑夫·博伊克團隊在最後一步將兩條染色體融合成一條的過程中,始終無法獲得僅有1條染色體的細胞,最終只獲得了含有兩條染色體的酵母。”覃重軍猜測,或許是因為傑夫·博伊克團隊沒有刪除染色體上的許多重復序列,而覃重軍研究團隊利用基因“魔剪”大膽剪掉了很多染色體中冗余的重復基因信息,使得染色體在融合時可以變得更加穩定。

  重要意義——

  打開人造生命的大門

  端粒是線型染色體末端的保護結構,有關實驗表明,隨著細胞分裂次數的增加,端粒的長度逐漸縮短,當端粒變得不能再短時,細胞就會死亡,人類的過早衰老、腫瘤形成等都與染色體的端粒縮短密切相關。“與天然酵母的32個端粒相比,我們人工合成的單條線型染色體僅有2個端粒,更簡單直觀,這為研究人類端粒功能及細胞衰老提供了很好的模型。”覃重軍説。

  《自然》雜志評論稱,該研究建立的一係列染色體融合的菌株,對研究端粒生物學、著絲粒生物學、減數分裂重組以及細胞核結構與功能的關係具有重要價值。自然科研中國區總監保羅·埃文斯認為,這篇《自然》論文全部由中國科學家獨立完成,顯示了中國在建立可持續科研生態體係方面的努力和取得的重大成果,也為探索生命起源與進化等重大基礎科學問題開辟了一個新方向。

  在中國科學院前沿科學與教育局生命科學處處長沈毅看來,通過人工改造,將天然復雜的酵母染色體以全新的簡約化形式表現出來,是繼原核細菌“人造生命”之後的一個重大突破。單染色體酵母的“誕生”,連同我國科學家參與的酵母染色體全人工合成工作,是繼上世紀60年代人工合成結晶牛胰島素和tRNA(酵母丙氨酸轉移核糖核酸)之後,我國學者再一次利用合成科學策略,去回答生命科學領域重大的基礎問題,這是合成生物學“建物致知”理念的生動體現,為人類對生命本質的研究開辟了新方向。

  當然,表現也並非完美。覃重軍坦陳,融合後的染色體菌株表現出小的適應性限制和有性生殖缺陷,這些發現或有助于解釋擁有較多染色體的優勢。“單染色體酵母的‘誕生’,為我們打開了人造生命的大門。就像人類第一次造出的火車,可能跑得還不如馬車快,但隨著技術的進步,這些問題可以逐一解決。”覃重軍稱。(記者 沈慧)

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【糾錯】 責任編輯: 王頔
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