中國科學(xué)家打開“改造”生命的大門

人氣：11280 發(fā)布時間：2018-08-05

人類能否創(chuàng)造生命？“上帝”的特權(quán)能否交由人類自己掌控？選擇與人類有1/3同源基因的真核模式生物釀酒酵母為突破口，將其天然16條染色體融合改造為1條巨大染色體，這個合成生物學(xué)領(lǐng)域開展的“異想天開”的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程化實施，終于夢想成真！
合成生物學(xué)領(lǐng)域里程碑式的突破
中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所合成生物學(xué)重點實驗室研究員覃重軍團隊及其合作者在國際上首次人工創(chuàng)建了單條染色體的真核細胞。該成果于8月2日發(fā)表在《自然》上，這是合成生物學(xué)領(lǐng)域具有里程碑意義的突破，打開了“改造”生命的大門。
能否打破自然的界限？是否可以人造一個單染色體的生物并具有正常的功能？這個大膽假設(shè)吸引著科學(xué)家上下求索。
2010年，美國科學(xué)家J. Craig Venter團隊在《科學(xué)》上報道了世界上首個“人造生命”——含有全人工化學(xué)合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體，引起轟動。而這一次，以覃重軍研究組為主的研究團隊完成了將單細胞真核生物釀酒酵母天然的16條染色體人工創(chuàng)建為具有完整功能的單條染色體。該項工作表明，天然復(fù)雜的生命體系可以通過人工干預(yù)變簡約，自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創(chuàng)造全新的自然界不存在的生命。
生物學(xué)教科書中將自然界存在的生命體分為具有被核膜包裹染色體細胞核的真核生物和染色體裸露無核膜包裹的原核生物。染色體攜帶了生命體生長與繁殖的遺傳信息，真核生物通常含有線型結(jié)構(gòu)的多條染色體，而原核生物通常含有環(huán)型結(jié)構(gòu)的一條染色體。在該研究中，覃重軍假設(shè)真核生物也能像原核生物一樣，用一條線型染色體裝載所有遺傳物質(zhì)并完成正常的細胞功能，并與副研究員薛小莉“工程化精準設(shè)計”定制人造單染色體酵母的指導(dǎo)原則以及理性分析、實驗設(shè)計、工程化推進總體方案。博士研究生邵洋洋從2013年開始嘗試并發(fā)展高效的染色體操作方法，歷經(jīng)4年時間，通過15輪染色體融合，成功創(chuàng)建了只有一條線型染色體的釀酒酵母菌株SY14。此后，覃重軍研究組進一步與中科院合成生物學(xué)重點實驗室研究員趙國屏研究組、中科院生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所研究員周金秋研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院研究員趙志虎等合作，深入鑒定SY14的代謝、生理和繁殖功能及其染色體的三維結(jié)構(gòu)。
該成果研究團隊負責(zé)人覃重軍介紹，研究團隊將16條天然染色體上融合為一條，可以看到染色體結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，但是細胞生長跟原來一模一樣，功能也幾乎一樣，只不過通過減數(shù)分裂有性繁殖后代稍有減少，這種狀況以后將進一步研究。從基礎(chǔ)研究的角度來說，造出了一個簡約化的生命體。
論文全部由中國科學(xué)家獨立完成
這一研究發(fā)現(xiàn)顛覆了染色體三維結(jié)構(gòu)決定基因時空表達的傳統(tǒng)觀念，揭示了染色體三維結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)細胞生命功能的全新關(guān)系。
該研究成果是通過經(jīng)典分子生物學(xué)“假設(shè)驅(qū)動”與合成生物學(xué)“工程化研究模式”來探索解析生命起源與進化中重大基礎(chǔ)科學(xué)問題的新范例。將天然復(fù)雜的酵母染色體通過人工改造以全新的簡約化形式表現(xiàn)出來，是繼原核細菌“人造生命”之后的一個重大突破。單染色體酵母的“誕生”，連同我國科學(xué)家參與的酵母染色體全人工合成工作，是繼20世紀60年代人工合成結(jié)晶牛胰島素和tRNA之后，中國學(xué)者再一次利用合成科學(xué)策略，去回答生命科學(xué)領(lǐng)域一個重大的基礎(chǔ)問題。
生物進化從簡單到復(fù)雜，人類、動物、植物、真菌、酵母都是真核生物。其中，人類有23對染色體，小鼠有20對染色體，水稻有12對染色體。而釀酒酵母是迄合科學(xué)研究最透徹的一個真核細胞，它是研究染色體異常的重要模型，1/3基因與具有23對染色體的人類基因同源。端粒是線型染色體末端的保護結(jié)構(gòu)。隨著細胞分裂次數(shù)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。人類的過早衰老與染色體的端粒長度直接相關(guān)。此外，端粒的縮短還與基因突變，腫瘤形成等許多疾病相關(guān)。與天然酵母的32個端粒相比，覃重軍研究團隊人工創(chuàng)造的單條線型染色體僅有2個端粒，為研究人類端粒功能及細胞衰老提供很好的模型。此外，該研究成果還將運用于制造工廠的“超級營養(yǎng)”釀酒酵母工業(yè)化生產(chǎn)。
自然科研中國區(qū)總監(jiān)保羅·埃文斯評論，這篇《自然》論文全部由中國科學(xué)家獨立完成，顯示了中國在建立可持續(xù)科研生態(tài)體系方面的努力和取得的重大成果，這也為探索生命起源與進化重大基礎(chǔ)科學(xué)問題開辟了一個新方向。
該研究得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“細胞命運可塑性的分子機制與調(diào)控”，以及國家自然科學(xué)基金委、科技部等的資助。