合成第一个人工酵母染色体

来源：新金融观察报   发布者：亦云   日期：2015-02-16  

　　伯克团队的重要贡献之一，就是对这封“超长电报”进行了500多处修改，删除了4.8万个被认为对染色体复制和生长没有用处的重复碱基对，还删除了一些被称为垃圾DNA（脱氧核糖核酸）的序列，还在许多位点上进行了序列的插入和增改，以便让它更稳定，更适合外源基因的插入。 　　2014年3月27日，约翰·霍普金斯大学的“创建基因组”课程上，几百个大学生宣称，他们成功地重新创建了酵母的synIII号染色体，可以控制其进行有性繁殖。这就意味着，他们成功合成了第一条能正常工作的酵母染色体，这也是人类第一次合成完整的真核生物染色体。这一成果被誉为攀上了合成生物学的新高峰，也是向合成人造微生物等生命体迈出的一大步。 　　这个研究团队由来自美、英、法等多个国家的教师和学生组成，他们的领导人是杰夫·伯克（Jef Boeke）教授，他是纽约大学朗格尼医学中心系统遗传学研究所的主任。这一里程碑式的研究成果，发表于次日发行的权威学术期刊《科学》杂志上。杂志上报告说，他们利用计算机辅助设计技术，历时7年成功构造了源于酿酒酵母的被称作synIII的染色体，尽管合成的仅仅是酿酒酵母16条染色体中最短小的一条，但这是通往构建一个完整的真核细胞生物基因组的关键一步。最让研究人员自豪的是这条染色体被成功整合进活体酵母细胞之中。杰夫·伯克教授说：“携带这条合成染色体的酵母细胞相当正常，它们与野生酵母细胞几乎一模一样，只是它们还拥有一些新的能力，能够完成野生酵母无法完成的事件。” 　　自然界的生物体，从细胞核的角度，可以简单地划分为原核生物和真核生物两大类。二者的根本性区别是后者的细胞内含有细胞核，而前者没有。原核生物从进化水平上来讲都很低等，所谓没有细胞核，最主要的是没有核膜，但有一团核物质，叫拟核，里边有DNA等遗传物质，它控制着主要的性状；还有一些性状，比如抗药性等，则是由拟核之外的所谓“质粒”中含有的DNA来控制的。人类对生命遗传物质的人工合成，是从相对简单的原核生物开始的。40多年前，人类首次实现了对大肠杆菌中的“质粒”进行人工设计与合成。2010年，美国科学家克雷格·文特尔曾宣布，培育出第一个由人工合成基因组控制的细胞，但他的工作仍然是在细菌中完成的，细菌只是原核生物，而且是不是成功地控制，还存在很大争议。伯克教授领导的团队，进行的本次研究，是在酵母菌中完成的，这是一种真菌，是有着完整细胞核的真核生物，而所有的动物和植物都是真核生物。因此，第一次合成完整的真核生物染色体，不仅复杂性远高于以前的所有研究，而且它的实际意义也要重大得多。 　　以往对真核生物的人工染色体合成，大多是改造的原有染色体，常常含有许多冗余部分。重新合成人工染色体，无异于从头设计它应有的功能，来使科研人员更便捷地进行功能基因组学的研究。酵母菌细胞核中的染色体有16对，也就是32条（人类则是23对、46条），伯克团队选择的染色体synIII，是这32条中最短小的一条，它的“原始版本”拥有近32万个碱基对。DNA中的四种碱基分别叫鸟嘌呤（Guanine，简写为G）、腺嘌呤（Adenine，简写为A）、胞嘧啶（Cytosine，简写 　　为C）和胸腺嘧啶（Thymine，简写为T），它们总是按照A和T、G和C这样的搭配成对出现的，中间以氢键相连。碱基对的排列顺序，就像电报所使用的莫尔斯码一样，是生物的遗传密码。在synIII的32万个碱基对中，有大约4万8千个是无用的，就相当于一封长达32万字的越长电报中，有将近5万字是废话一样。 　　伯克团队的重要贡献之一，就是对这封“超长电报”进行了500多处修改，删除了4.8万个被认为对染色体复制和生长没有用处的重复碱基对，还删除了一些被称为垃圾DNA（脱氧核糖核酸）的序列，还在许多位点上进行了序列的插入和增改，以便让它更稳定，更适合外源基因的插入。研究过程中，科学家们借助电脑软件设计出染色体的结构，随后将其分成许多“构建单元”，即700至800碱基对左右相互覆盖的DNA片段，分别合成；然后利用覆盖区域的特异序列将它们逐个“粘合”。在框架搭好后，研究者们利用了“基因洗牌”的方法，将不同的基因片段随机组合，并培养相应的酵母，通过它们的表现—菌落大小、生长曲线以及不同条件下的细胞形态—来判断组合的优劣，越接近野生的越好。最终构建的染色体拥有约27万个碱基对，它比原始的、野生细胞功能更安全、更齐全。 　　肯定有人会问：这样的研究除了对人类智力活动是一种有趣的挑战以外，还有什么实用价值？简单地说，它将有助于更快地培育新的酵母合成菌株，用于制造稀有药物，包括治疗疟疾的青蒿素或治疗乙肝的疫苗等。合成酵母还能用于生产更有效的生物燃料以及其他许多方面。正如伯克教授所说：“我们的研究实现了合成生物学从理论到现实的转变。”这个团队的下个目标是利用这次的经验，更快更好地合成酵母基因组中更大的染色体，同时在过程中加深对酵母不同基因功能的理解。撰文/韩晓波

相关新闻