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

由天津大學、清華大學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關(guān)鍵核心技術(shù)，比如：突破合成型基因組導致細胞失活的難題，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研究和相關(guān)實際應(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”的新紀元。

參與國際釀酒酵母基因組合成計劃的中國科學家代表，自左至右依次為：李炳志、戴俊彪、楊煥明、元英進、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(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)計合成為標志的第三次生物技術(shù)革命。他指出，生物學界內(nèi)最重要的分類依據(jù)，既不是植物和動物，也不是多細胞和單細胞生物，而是以原核生物和真核生物來區(qū)分?！凹毦?、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非常艱巨的任務(wù)。但是，如果生物學真正做到引領(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)計和化學再造完整的釀酒酵母基因組，國際科學界發(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(Synthetic genomics)研究的標志性國際合作項目。該項目由美國科學院院士杰夫·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)。

天津大學化工學院教授元英進是最早參與該計劃的中國科學家，此次在《科學》期刊上以通訊作者身份發(fā)表了2篇論文。他告訴記者，如同科學實驗中經(jīng)常使用的果蠅、斑馬魚，釀酒酵母是生物學研究中的“模式真核單細胞生物”?！叭绻f病毒基因組的合成開啟了基因組化學合成研究，那么原核生物和真核生物基因組合成研究的不斷突破，則初步實現(xiàn)了化學全合成基因組對單細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)域知識貯備的真實性、完整性和準確性的一個直接考驗?；瘜W合成酵母，一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎(chǔ)生物學的問題，另一方面可以通過基因組重排系統(tǒng)，使酵母實現(xiàn)快速進化，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?！?/p>

中國科學家在合成酵母中發(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，中外科學家們共完成了5條染色體的化學合成，其中中國科學家完成了4條，占完成數(shù)量的66.7%，把Sc2.0計劃向前推進了一大步。

其中，元英進帶領(lǐng)的天津大學團隊完成了5號、10號(synV、synX)染色體的化學合成，并開發(fā)了高效的染色體缺陷靶點定位技術(shù)和染色體點突變修復技術(shù);戴俊彪研究員帶領(lǐng)清華大學團隊完成了當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隊聯(lián)合英國愛丁堡大學團隊完成了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雜度的不斷提升，向科學界對生物體運作方式以及生命本質(zhì)的認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，都有費時耗力、效率不高的缺點?！痹⑦M團隊成員、“10號染色體”文章第一作者、天津大學博士生吳毅介紹說：在合成長達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快速定位與精確修復方法，解決了全化學合成基因組導致細胞失活的難題。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)和功能的認知?！?/p>

“5號染色體”文章第一作者、天津大學博士生謝澤雄說，在全面推進Sc2.0計劃的過程中，我們建立了基于多靶點片段共轉(zhuǎn)化的基因組精確修復技術(shù)和DNA大片段重復修復技術(shù)，解決了超長人工DNA片段的精準合成難題。同時，我們首次實現(xiàn)了真核人工基因組化學合成序列與設(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、功能驗證與技術(shù)改進奠定了基礎(chǔ)。利用化學合成的酵母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)計的特異性水印標簽實現(xiàn)對細胞分裂過程中染色體變化的追蹤和分析，為研究當前無法治療的環(huán)形染色體疾病、癌癥和衰老等發(fā)生機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準化基因組合成方法，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，實現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定制精準合成?！?/p>

清華大學的戴俊彪團隊，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的核糖體RNA編碼基因簇進行刪除及工程化改造，并利用修改后的重復單元在基因組多個位點重建了核糖體RNA編碼基因簇?！霸摴ぷ鞯於宋磥韺ζ渌蟆⒔Y(jié)構(gòu)超復雜的基因組進行設(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責人沈玥介紹說，科研人員使用“貫穿組學(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，其進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領(lǐng)域取得的突破性成果，進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研究領(lǐng)域的巨大進步。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作模式也給國際性大型旗艦項目提供了很好的參考模板，該計劃的實施是基因組編寫計劃的重要基礎(chǔ)。元英進認為，多國組成大型國際聯(lián)合團隊使突破重大科學問題和技術(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者更積極地參與到大型國際合作項目中去。

據(jù)介紹，在歷屆合成基因組年度會議上，天津大學科研團隊均向國際合作聯(lián)盟介紹了自己的項目研究進展。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化學全合成釀酒酵母染色體的最新研究進展。同時，天津大學合成生物學團隊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“世界合成生物學頂級俱樂部”。

據(jù)戴俊彪介紹，中國科學家取得的上述成果，不僅對于深化生命認知、推進相關(guān)研究意義重大，而且也將在實際應(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青年教師、國家優(yōu)青獲得者、此次2篇學術(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。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，上述團隊正在此前成果的基礎(chǔ)上乘勝前進，有望在不久的將來給人類更多驚喜。