國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》，以封面的形式同時刊發(fā)了中國科學(xué)家的4篇研究長文。

由天津大學(xué)、清華大學(xué)和華大基因分別完成的這4篇長文，介紹了真核生物基因組設(shè)計與化學(xué)合成方面的系列重大突破：完成了4條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設(shè)計與化學(xué)合成——要知道，釀酒酵母總共有16條染色體，此前國際同行奮斗多年才發(fā)現(xiàn)了一條。

在合成染色體的過程中，他們還突破了生物合成方面的多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，比如：突破合成型基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題，設(shè)計構(gòu)建染色體成環(huán)疾病模型，開發(fā)長染色體分級組裝策略，證明人工設(shè)計合成的基因組具有可增加、可刪減的靈活性，等等。這些技術(shù)將幫助在全世界的生命科學(xué)研究和相關(guān)實(shí)際應(yīng)用中大顯身手，其價值不可估量。

國內(nèi)外同行指出，這是繼合成原核生物染色體之后的又一里程碑式突破，開啟人類“設(shè)計生命、再造生命和重塑生命”的新紀(jì)元。

參與國際釀酒酵母基因組合成計劃的中國科學(xué)家代表，自左至右依次為：李炳志、戴俊彪、楊煥明、元英進(jìn)、沈玥。

人工合成酵母染色體，意義何在?

曾參與“人類基因組測序計劃”的華大基因理事長楊煥明院士介紹說，合成生物學(xué)(Synthetic Biology)是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組測序計劃”之后，以基因組設(shè)計合成為標(biāo)志的第三次生物技術(shù)革命。他指出，生物學(xué)界內(nèi)最重要的分類依據(jù)，既不是植物和動物，也不是多細(xì)胞和單細(xì)胞生物，而是以原核生物和真核生物來區(qū)分。“細(xì)菌、病毒等原核生物的基因組相對簡單，而動物、植物、真菌等等真核生物的基因(DNA)既豐富又復(fù)雜，通常會包含數(shù)億至甚至數(shù)十億堿基對信息。同時，作為遺傳物質(zhì)的DNA通常被分配到不同的染色體中，而這些染色體又深藏在細(xì)胞核的特定區(qū)域。所以，合成一個真核生物的基因組是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。但是，如果生物學(xué)真正做到引領(lǐng)技術(shù)革命，合成真核生物基因組技術(shù)必將發(fā)揮非常核心的作用?！?/p>

為完成設(shè)計和化學(xué)再造完整的釀酒酵母基因組，國際科學(xué)界發(fā)起了釀酒酵母基因組合成計劃(Sc2.0計劃)，這是合成基因組學(xué)(Synthetic genomics)研究的標(biāo)志性國際合作項(xiàng)目。該項(xiàng)目由美國科學(xué)院院士杰夫·伯克發(fā)起，有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機(jī)構(gòu)參與并分工協(xié)作，試圖重新設(shè)計并合成釀酒酵母的全部16條染色體(長約12Mb，1Mb是百萬堿基對)。

天津大學(xué)化工學(xué)院教授元英進(jìn)是最早參與該計劃的中國科學(xué)家，此次在《科學(xué)》期刊上以通訊作者身份發(fā)表了2篇論文。他告訴記者，如同科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的果蠅、斑馬魚，釀酒酵母是生物學(xué)研究中的“模式真核單細(xì)胞生物”。“如果說病毒基因組的合成開啟了基因組化學(xué)合成研究，那么原核生物和真核生物基因組合成研究的不斷突破，則初步實(shí)現(xiàn)了化學(xué)全合成基因組對單細(xì)胞原核生物和真核生物的生命調(diào)控?！搬劸平湍甘堑谝粋€被全基因組測序的真核生物，大尺度的設(shè)計和重建酵母基因組是對目前酵母領(lǐng)域知識貯備的真實(shí)性、完整性和準(zhǔn)確性的一個直接考驗(yàn)?；瘜W(xué)合成酵母，一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎(chǔ)生物學(xué)的問題，另一方面可以通過基因組重排系統(tǒng)，使酵母實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)化，得到在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用潛力的菌株。”

中國科學(xué)家在合成酵母中發(fā)現(xiàn)了什么?

2014年，Sc2.0已創(chuàng)建了一個單一的人工酵母染色體。此次國際合作，中外科學(xué)家們共完成了5條染色體的化學(xué)合成，其中中國科學(xué)家完成了4條，占完成數(shù)量的66.7%，把Sc2.0計劃向前推進(jìn)了一大步。

其中，元英進(jìn)帶領(lǐng)的天津大學(xué)團(tuán)隊完成了5號、10號(synV、synX)染色體的化學(xué)合成，并開發(fā)了高效的染色體缺陷靶點(diǎn)定位技術(shù)和染色體點(diǎn)突變修復(fù)技術(shù);戴俊彪研究員帶領(lǐng)清華大學(xué)團(tuán)隊完成了當(dāng)前已合成染色體中最長的12號染色體(synXII)的全合成;深圳華大基因研究院團(tuán)隊聯(lián)合英國愛丁堡大學(xué)團(tuán)隊完成了2號染色體(synII)的合成及深度基因型-表型關(guān)聯(lián)分析。

“人工合成基因組的尺度和復(fù)雜度的不斷提升，向科學(xué)界對生物體運(yùn)作方式以及生命本質(zhì)的認(rèn)知提出了越來越大的挑戰(zhàn)。在基因組尺度的DNA合成中面臨的一個巨大挑戰(zhàn)，是定位人工基因組中影響細(xì)胞長勢的序列，即缺陷(bug)。常規(guī)的排除缺陷(debugging)的方法有三種，都有費(fèi)時耗力、效率不高的缺點(diǎn)?！痹⑦M(jìn)團(tuán)隊成員、“10號染色體”文章第一作者、天津大學(xué)博士生吳毅介紹說：在合成長達(dá)770kb(kb：千堿基對)的釀酒酵母10號染色體的過程中，我們創(chuàng)建了基因組缺陷靶點(diǎn)快速定位與精確修復(fù)方法，解決了全化學(xué)合成基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題。我們所得到的全合成酵母染色體具備完整的生命活性，能夠成功調(diào)控酵母的生長，并具備各種環(huán)境響應(yīng)能力。此方法在化學(xué)合成基因組研究中具有普適性，并且作為一種新穎的表型和基因組關(guān)聯(lián)性分析的策略，有望顯著提升我們對基因組結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)知?！?/p>

“5號染色體”文章第一作者、天津大學(xué)博士生謝澤雄說，在全面推進(jìn)Sc2.0計劃的過程中，我們建立了基于多靶點(diǎn)片段共轉(zhuǎn)化的基因組精確修復(fù)技術(shù)和DNA大片段重復(fù)修復(fù)技術(shù)，解決了超長人工DNA片段的精準(zhǔn)合成難題。同時，我們首次實(shí)現(xiàn)了真核人工基因組化學(xué)合成序列與設(shè)計序列的完全匹配，系統(tǒng)性支撐與評價了當(dāng)前真核生物的設(shè)計原則。該技術(shù)的突破為研究人工設(shè)計基因組的重新設(shè)計、功能驗(yàn)證與技術(shù)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。利用化學(xué)合成的酵母5號染色體定制化建立了一組環(huán)形染色體模型，通過人工基因組中設(shè)計的特異性水印標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞分裂過程中染色體變化的追蹤和分析，為研究當(dāng)前無法治療的環(huán)形染色體疾病、癌癥和衰老等發(fā)生機(jī)理和潛在治療手段提供了了研究模型。此外，我們發(fā)展了多級模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化基因組合成方法，創(chuàng)建了一步法大片段組裝技術(shù)和并行式染色體合成策略，實(shí)現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定制精準(zhǔn)合成。”

清華大學(xué)的戴俊彪團(tuán)隊，則設(shè)計合成了12號染色體。在研究中，他們開發(fā)了長染色體分級組裝的策略，即：首先通過大片段合成序列，在6個菌株中分別完成了對染色體不同區(qū)域內(nèi)源DNA的逐步替換;然后利用酵母減數(shù)分裂過程中同源重組的特性，將多個菌株中的合成序列進(jìn)行合并，獲得完整的合成型染色體。針對12號染色體上存在的高度重復(fù)的核糖體RNA編碼基因簇進(jìn)行刪除及工程化改造，并利用修改后的重復(fù)單元在基因組多個位點(diǎn)重建了核糖體RNA編碼基因簇。“該工作奠定了未來對其他超大、結(jié)構(gòu)超復(fù)雜的基因組進(jìn)行設(shè)計與編寫的基礎(chǔ)，同時也證明了酵母基因組中rDNA(核糖體DNA)區(qū)域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性?！贝骺”氡硎?。

深圳華大基因研究院與英國愛丁堡大學(xué)共同完成2號染色體的從頭設(shè)計與全合成(長770 Kb)，合成酵母菌株展現(xiàn)出與野生型高度相似的生命活性。該論文的第一作者、深圳國家基因庫合成與編輯平臺負(fù)責(zé)人沈玥介紹說，科研人員使用“貫穿組學(xué)(Trans-Omics)”方法，從表型、基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組五個層次系統(tǒng)地進(jìn)行基因型-表現(xiàn)型的深度關(guān)聯(lián)分析，證明了人工設(shè)計合成的釀酒酵母基因組可增加、可刪減的高度靈活性。”

令人欣喜的是，華大基因與愛丁堡大學(xué)合成的酵母菌株，不僅與野生型有高度相似的生命活性，而且對環(huán)境的適應(yīng)性大大加強(qiáng)，其進(jìn)化速度呈幾何級提高。

人工合成4條酵母染色體，價值何在?

“2000年公布的人類基因組測序，中國只承擔(dān)了百分之一的工作，這次我們完成了釀酒酵母染色體合成的四分之一，可以說是中國在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得的突破性成果，進(jìn)一步奠定了中國在這一領(lǐng)域的國際地位?！睏顭髡f，“兩相比較，不難看出我們在生命科學(xué)研究領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。在釀酒酵母設(shè)計與合成研究中，我們已由‘跟跑’轉(zhuǎn)為‘并跑’，今后‘領(lǐng)跑’也不是不可能?！?/p>

Sc2.0計劃國際化的高效運(yùn)作模式也給國際性大型旗艦項(xiàng)目提供了很好的參考模板，該計劃的實(shí)施是基因組編寫計劃的重要基礎(chǔ)。元英進(jìn)認(rèn)為，多國組成大型國際聯(lián)合團(tuán)隊使突破重大科學(xué)問題和技術(shù)難題具有必然性，中國的研究者在本次國際計劃中發(fā)揮了舉足輕重的作用。在這個過程中，我們培養(yǎng)了大批具有國際視野的拔尖創(chuàng)新青年人才，中國的基因組設(shè)計合成能力也提升到了前所未有的高度。此次國際合作取得的巨大成功將鼓勵更多的中國的學(xué)者更積極地參與到大型國際合作項(xiàng)目中去。

據(jù)介紹，在歷屆合成基因組年度會議上，天津大學(xué)科研團(tuán)隊均向國際合作聯(lián)盟介紹了自己的項(xiàng)目研究進(jìn)展。2016年7月，第五屆Sc2.0和合成基因組會議在英國愛丁堡舉行，吳毅和謝澤雄介紹了天津大學(xué)化學(xué)全合成釀酒酵母染色體的最新研究進(jìn)展。同時，天津大學(xué)合成生物學(xué)團(tuán)隊4名成員積極參與2016年5月舉行的基因組合成閉門會議，加入了“世界合成生物學(xué)頂級俱樂部”。

據(jù)戴俊彪介紹，中國科學(xué)家取得的上述成果，不僅對于深化生命認(rèn)知、推進(jìn)相關(guān)研究意義重大，而且也將在實(shí)際應(yīng)用中大顯身手。此前，基因修飾的酵母已經(jīng)用來制作疫苗、藥物和特定的化合物，這些新成果的發(fā)表意味著化學(xué)物質(zhì)設(shè)計定制酵母生命體成為可能，產(chǎn)物范圍也將被拓展。隨著人工合成酵母的推廣應(yīng)用，必將顯著提高其在工業(yè)生產(chǎn)、藥物制造等方面的效率與質(zhì)量。

“這背后是中國的科技工作者‘咬定青山不放松，立根原在破巖中’的不懈探索精神?！碧旖虼髮W(xué)青年教師、國家優(yōu)青獲得者、此次2篇學(xué)術(shù)論文的共同第一作者李炳志表示，“科技工作者要耐得住寂寞，坐得住冷板凳，用‘十年磨一劍’的勁頭來治學(xué)。謝澤雄和吳毅多年來沒有發(fā)表過任何相關(guān)文章，這是他們自本科至今發(fā)表的第一篇研究論文?！?/p>

據(jù)悉，上述團(tuán)隊正在此前成果的基礎(chǔ)上乘勝前進(jìn)，有望在不久的將來給人類更多驚喜。