人造單染色體酵母與天然酵母細胞相比，兩者形態相似，但染色體的三維結構有巨大改變。圖中標出的染色體末端藍色小圓點為端粒，一條染色體有兩個端粒。
日前，中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所合成生物學重點實驗室覃重軍研究團隊與合作者，在國際上首次人工創建了單條染色體的真核細胞：把釀酒酵母細胞裡原本天然的16條染色體，人工融合成單條染色體，且仍具有正常的細胞功能。既改變了染色體的結構，又仍保有生命的「活性」，人工蛻變出一個全新細胞。該成果於北京時間8月2日在國際頂尖學術期刊《自然》在線發表，這項工作完全由中國科學家獨立完成，是在「人造生命」領域具有裡程碑意義的重大突破。
釀酒酵母基因1/3與人類同源
生物學教科書中，將自然界存在的生命體，分為真核生物和原核生物。所有真核生物細胞含有的染色體有多條，且都是線型結構，如人類、小鼠、釀酒酵母等都是真核生物。而原核生物細胞含有的染色體通常只有一條，且是環型結構，如大腸桿菌、破傷風菌等許多細菌。真核生物能否像原核生物一樣，只用一條染色體來裝載所有遺傳物質並完成正常的細胞功能呢？覃重軍研究員做出一個大膽猜想。在這之前，自然界從沒發現過一條染色體的真核生物。覃重軍團隊做出小心求證，他們隨機把釀酒酵母16條染色體中的任意2條進行融合，如此操作了8次，得到一個驚人的發現——菌株的生長速率幾乎不變。這意味著，原先的大膽猜想是有可能實現的。
為什麼選擇釀酒酵母？釀酒酵母是日常發酵中最常用的生物種類，不僅用於製作麵包、啤酒等，還是用於生命科學研究的代表性真核生物。作為1996年第一個完成基因組測序的真核生物，釀酒酵母有16條染色體，其基因約有1/3與人類同源。
探索生命起源與進化新範例
覃重軍與薛小莉副研究員「工程化精準設計」了人造酵母染色體的實驗總體方案。博士生邵洋洋從2013年開始嘗試並發展高效的染色體操作方法，歷時4年，通過15輪染色體融合，最終成功創建了只有一條線型染色體的單細胞真核生物釀酒酵母菌株SY14。
雖然在2010年，《科學》 雜誌曾報導，美國科學家做出世界首個「人造生命」：與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體，但由於科學家對其生命密碼沒有完全掌握，並未對其進行任何改造，只是單純地複製。以覃重軍課題組為主的研究團隊，真正實現將真核釀酒酵母天然的16條染色體「合一」，創建為具有完整功能的單條染色體。僅有一條染色體的真核細胞，打破了教科書中原核生物與真核生物的界限。該項工作表明，天然複雜的生命體系也可通過「人造」變簡約，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，為人類對生命本質的研究開闢新的方向。
覃重軍研究組與合成生物學重點實驗室趙國屏院士研究組、中科院生物化學與細胞生物學研究所周金秋研究員研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事醫學科學院趙志虎研究員等團隊合作發現，儘管單條人工染色體的三維結構發生巨大變化，但SY14酵母在基因組表達、細胞複製周期等變化非常小，仍具有正常細胞功能。這一發現顛覆了染色體結構決定基因表達的傳統觀念，揭示了染色體結構與實現細胞生命功能的全新關係。這是繼人工合成牛胰島素和人工合成酵母丙氨酸轉移核糖核酸之後，中國學者利用合成科學策略，探索生命起源與進化的重大基礎科學問題的新範例。
在醫藥和工業發酵具有應用潛力
此次人造釀酒酵母獲重大突破，將會給人們的生活帶來哪些影響？覃重軍介紹，人工合成酵母在醫藥和工業發酵等領域具有應用潛力。
比如說細胞衰老問題，隨著細胞分裂次數增加，染色體末端的端粒長度會逐漸縮短，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。此外，端粒的縮短還與許多疾病相關，包括基因突變、腫瘤形成等。由於端粒長度不一，在藥物開發和篩選時，需要取多個端點的平均值，觀測、計算均繁複。與天然酵母的32個端粒相比，覃重軍研究團隊人工創造的單條線型染色體僅有2個端粒，很多規律可以更清晰地得到，為研究人類端粒功能及細胞衰老提供了很好的模型。此外，由於是重新編排酵母染色體，沒有導入任何外來基因，因此這一釀酒酵母仍可食用，未來可以強化其營養成分，向超級營養釀酒酵母發展。
（原載於《解放日報》 2018-08-03 05版）