我國科學家人工合成完整活性染色體

原標題：我國科學家人工合成完整活性染色體

　　3月9日，清華大學生命科學學院戴俊彪博士在展示培養皿中的釀酒酵母菌株。

　　3月9日，天津大學化工學院副教授李炳志、清華大學生命科學學院研究員戴俊彪博士、華大基因理事長楊煥明院士、天津大學化工學院教授元英進、深圳國家基因庫合成與編輯平臺負責人沈玥（從左至右）在清華大學合影。 新華社記者 沈伯韓攝

　　戴俊彪博士團隊成員在清華大學生命科學學院實驗室內進行實驗（2016年4月1日攝）。

　　新華社發

　　3月10日，深圳華大基因研究院團隊部分成員在該研究院實驗室裡合影。新華社發

　　生命可以設計和再造嗎？我國科學家利用化學物質合成了4條人工設計的釀酒酵母染色體，標誌著人類向「再造生命」又邁進一大步。研究結果10日以封面文章的形式在國際知名學術期刊《科學》上發表，我國也成為繼美國之後第二個具備真核基因組設計與構建能力的國家。

　　釀酒酵母是生物遺傳學研究的一個重要模式生物。以合成型釀酒酵母染色體為研究對象，可以加快在基因組重排、環形染色體進化領域的研究進度，為人類環形染色體疾病、癌症和衰老等提供研究與治療模型。

　　2012年開始，天津大學、清華大學和深圳華大基因研究院與美國等國家的科研機構共同推動了酵母基因組合成國際計劃（Sc2.0），旨在對釀酒酵母基因組進行人工重新設計和化學再造。我國科學家此次成功合成的4條釀酒酵母染色體，佔Sc2.0計劃已經合成染色體的三分之二。

　　從「讀」到「寫」

　　生命認識的巨大飛躍

　　來自天津大學、清華大學和深圳華大基因研究院的研究人員介紹，這項研究利用小分子核苷酸精準合成了有活性的真核染色體，得到的基因組可以很好地調控酵母的功能。

　　同時，合成的染色體經過精緻的人工設計：刪除了研究者認為無用的DNA，加入了人工接頭，總體長度比天然染色體縮減8％。

　　「人工合成染色體的價值，在於實現對基因的操控。」天津大學化工學院教授元英進說，如果合成的染色體與所取代的天然染色體完全相同，僅僅是「知其然」，但重新設計了染色體並確保細胞活性，說明研究人員已經開始「知其所以然」。

　　2010年，美國科學家首次將人工合成的基因組植入一個原核細菌，開啟了化學合成生命的研究大門。不過，包括動物、植物和真菌在內的真核生物，其染色體更加複雜，設計與合成的難度也更高。

　　元英進說，此次研究解決了合成單細胞真核生物的基本科學問題，為未來設計、構建複雜的真核生物細胞提供了更多知識儲備。

　　中國科學院院士楊煥明介紹，在掌握了基因序列的秘密之後，研究人員還將通過對染色體的設計、構建、測試一系列過程，來驗證和修正對基因組的認識。

　　「如果說基因組測序是『讀懂生命密碼』，基因組合成就是在『編寫生命密碼』，從讀到寫，是一個巨大飛躍。」楊煥明說。

　　「生命2.0」

　　有望解決人類醫學難題

　　由於釀酒酵母是遺傳學研究常用的一種模式生物，人工合成的釀酒酵母染色體，能夠為癲癇、癌症、智力發育遲緩和衰老等人類面臨的醫學難題提供研究與治療模型。

　　元英進舉例說，利用酵母菌細胞可以研究染色體異常，如果找到並修復細胞的基因組失活點，有望治療因染色體異常而導致的發育異常。

　　「如同建房子，人類從天然洞穴起步，建築材料越來越好，形式越來越美。生命也是一樣，通過人工設計、化學再造，未來可以想像有2.0、3.0，版本越來越高。」元英進說。

　　此外，釀酒酵母本身有著巨大的工業開發潛力。華大基因合成生物學項目負責人沈玥說，應用生物技術，釀酒酵母理論上可以合成人類賴以生存的一切有機物。比如，用酵母菌合成青蒿素已經產業化，成本遠低於傳統的植物提取。但由於釀酒酵母比較脆弱，對環境的要求嚴苛，其應用範圍一直受限。

　　楊煥明認為，當科學家完全掌握了設計、合成釀酒酵母染色體的技術後，可以更便捷地改進釀酒酵母適應環境的能力，讓發酵罐生產出更多樣化、成本更低廉的食物和能源等。

　　「試想有一種細菌，能把垃圾快速分解，或者把霾全部吸收。」清華大學生命科學學院研究員戴俊彪說，科學家希望利用合成生物技術，解決汙染、能源短缺等人類面臨的難題。對釀酒酵母染色體加入更多設計，能幫助研究人員理解更多的生物學問題。

　　創造生命

　　目前還做不到「無中生有」

　　不過，雖然此次人工合成的釀酒酵母染色體有著精巧設計，它們仍然是天然染色體的模仿品。「我們對生命的了解還遠遠不夠，還做不到『無中生有』。」戴俊彪說。

　　戴俊彪將之比作「二手房裝修」：風格可以迥然一變，但房間還是原來的房間，並非從零開始蓋房。

　　另外，科學家目前著力於設計和建構染色體，然後將人工合成的染色體植入原有的天然細胞中。「如果細胞不匹配，就好比拖拉機發動機安裝在小轎車上。」戴俊彪說，若要重新設計、建構整個細胞，還有非常漫長的一段路要走。

　　元英進說，通過此次研究，把非生命的化學物質組裝成染色體，找到導致細胞死亡、細胞失活、生長缺陷的各項關鍵要素，未來有望實現人工設計與合成的突破。

　　新華社記者 陳芳 董瑞豐

　　（據新華社北京3月10日電）

　　「人工合成酵母基因組計劃」完成過半

　　中國科學家完成最新成果中的五分之四

　　新華社華盛頓3月9日電（記者 林小春）「人工合成酵母基因組計劃」研究人員9日宣布，他們又完成了真核生物釀酒酵母5條染色體的從頭設計與全合成工作，且分析顯示全合成染色體具備完整的生命活性。至此，這一項目的進程已經過半，科學家在合成複雜人工生命的道路上取得了重大進展。

　　最新研究成果當天以7篇論文的專刊及封面文章形式在美國《科學》雜誌上發表。

　　「人工合成酵母基因組計劃」是人類首次嘗試改造並從頭合成真核生物，旨在重新設計併合成釀酒酵母的全部16條染色體，其中最小一條已於2014年宣布完成。由於染色體有大有小，已設計併合成的染色體條數雖不及總數的一半，但整體工作量已經過半。

　　該項目由美國國家科學院院士傑夫·伯克發起，美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構參與並分工協作，希望通過對釀酒酵母的改造，更加透徹地了解機體的生物學機制、生物學反應、對環境的適應性、進化過程等，從而更好地解決人類面臨的身體健康、能源短缺、環境汙染等問題。

　　在最新發布的成果中，中國科學家領銜完成了5條染色體中的4條。其中，天津大學元英進教授帶領的團隊完成了5號、10號染色體的化學合成，並開發了高效的染色體點突變修復技術。清華大學戴俊彪研究員帶領的團隊完成了當前已合成染色體中最長的12號染色體的全合成。深圳華大基因研究院團隊聯合英國愛丁堡大學團隊完成了2號染色體的合成及有關分析。

　　元英進此次以唯一通訊作者身份發表了2篇論文。他在一份聲明中說：「作為真核生物的重要模式生物，化學合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的問題，另一方面可以通過基因組重排系統實現快速進化，得到在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域有重要應用潛力的菌株。」

　　華大基因與愛丁堡大學共同完成2號染色體的從頭設計與全合成，並成功將其導入酵母細胞。合成酵母菌株展現出與野生型高度相似的生命活性。他們的分析還表明，人工設計合成的釀酒酵母基因組具有可增加、可刪減的高度靈活性。

　　項目國際協調人、英國愛丁堡大學團隊帶頭人蔡毅之教授對新華社記者說，他們的工作是邁向設計併合成複雜人工生命目標的一大步。簡單來講，就好像重新設計計算機的作業系統，但沒有改變屏幕、滑鼠等硬體。

　　2010年，美國科學家克雷格·文特爾曾宣布，以支原體基因組為模板，培育出第一個由人工合成基因組控制的細胞，引起廣泛關注。蔡毅之說，他們工作的複雜性遠遠超過文特爾的工作。文特爾單槍匹馬獨自做，基本上是複製支原體基因組，成果並不開源；而他們是國際合作，從頭設計酵母染色體，有許多編輯刪改工作，成果對所有人開放。

　　蔡毅之還透露，最新發布的論文是2015年投寄的，他們目前實際上已經完成了70％的酵母染色體設計及合成工作，預計接下來一兩年就能完成整個項目，「這是一個將來會進入教科書的裡程碑式工作」。

　　清華大學研究組

　　人工合成全球最長真核線性染色體

　　本報訊（記者 任敏）昨天，從清華大學傳來好消息，該校生命科學學院戴俊彪研究組成功實現釀酒酵母12號染色體的人工設計與合成，這是目前世界上發現的最長真核線性染色體，全長為976067個鹼基。相關研究結果已於昨天在國際知名期刊《科學》上發表，題為《在百萬級鹼基量級合成染色體上編輯核糖體DNA》。

　　能否在實驗室構造具有生命特性的細胞一直是生命科學研究領域一個重要挑戰。

　　最近，來自美國、中國、英國、澳大利亞和新加坡的科學家形成國際聯盟，共同開展第一個真核生物——釀酒酵母基因組的重新設計與建造，該項基因組工程被簡稱為Sc2.0。Sc2.0計劃通過對釀酒酵母基因組的設計、合成以及改造，以期能從全基因組水平更透徹地理解遺傳物質發揮功能的生物學機制、遺傳信息的傳遞與調控，從而幫助人類有目的地設計和改造生命體，實現預設功能，有效解決目前面臨的環境汙染、糧食短缺等重大挑戰。

　　在Sc2.0計劃中，戴俊彪課題組主要負責攻克16條染色體中長度最長、功能最為特殊的12號染色體的人工合成。天然釀酒酵母12號染色體長度約為250萬個鹼基對，包括長約109萬個鹼基對的染色體以及一個由約150個重複單元組成的編碼核糖體RNA區域。後者形成了細胞核內一個特殊結構——核仁。

　　戴俊彪研究組基於原始鹼基序列設計出新的鹼基序列，並通過自主開發的分層組裝和後續改造方案最終獲得可在釀酒酵母體內正常發揮功能的合成12號染色體（synXII），並對12號染色體上編碼核糖體RNA的DNA序列（rDNA）開展了一系列工程化改造。

　　12號染色體的合成首次採用了分級組裝的策略：首先，通過大片段合成序列，在六個菌株中分別完成了對染色體不同區域內源DNA的逐步替換；然後，利用酵母減數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併，最終獲得完整的合成型染色體。

　　專家表示，12號染色體的合成表明中國的學者能設計並構建獲得含有百萬級鹼基的合成染色體，奠定了未來對其他超大、結構超複雜的基因組進行設計與編寫的基礎，同時也證明了酵母基因組中編碼核糖體RNA區域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性。

　　當日，來自清華大學、天津大學和華大基因的中國科學家一共在《科學》雜誌上發表4篇長文，分別介紹了4條真核生物釀酒酵母染色體的設計與化學合成，釀酒酵母總共有16條染色體。

　　中國離世界生命科學巔峰有多遠？

　　人工設計真核基因組，中國科學家領銜完成5條染色體中4條的化學合成……10日，國際知名學術期刊《科學》發表相關論文，意味著人類向「合成生命」的夢想邁進一大步。中國科學院有關負責人表示，生命科學關乎國民經濟發展和人類文明進步，抓住百年一遇的機會，中國有望在新一輪科技革命中取得先機。

　　生命科學的新突破，始於基因組測序。完成人類百分之一基因組測序，水稻基因組測序，家蠶、黃瓜等多個物種的基因組測序……破解基因組的「天書」越來越頻繁，經過多年來積蓄髮力，中國生命科學研究碩果湧現。

　　從科技進展來看，絕大部分重要的物種未來都將完成基因組測序，海量的數據產出成為常態。搭建組學資料庫，實現海量信息的存儲、整合及共享成為一項重要任務。

　　記者採訪了解到，目前，中科院北京基因組研究所已經初步建成生命與健康數據匯交與共享平臺，圍繞國家精準醫學和重要戰略生物資源的組學數據，建立了海量生物組學大數據儲存、整合與挖掘分析研究體系。

　　「基因組學提供的海量信息，可以用來判斷癌症的發生原因、發展狀況和可能的變化趨勢，並可依據已知的基因序列和功能設計藥物。」北京基因組研究所專家表示，中國作為基因組學研究的重要力量，在國際舞臺上持續發揮著重要作用。

　　中科院院士楊煥明說：「如果說基因組測序是『讀懂生命密碼』，基因組合成就是在『編寫生命密碼』，從讀到寫，是一個巨大飛躍。」

　　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，不難看出我們在生命科學研究領域的巨大進步，今後『領跑』不是不可能。」楊煥明表示。

　　作為生命科學的重要前沿，合成生物學能解決能源、材料、健康和環保等問題，對人類認識生命、重新設計及改造生物具有重大的科學意義。

　　合成生物學在21世紀初逐步走向生命科學研究的前沿。科技部有關人士表示，我國的研究還處於起步階段，但在生物學相關技術的研究與應用方面，如基因組測序技術、DNA合成技術、基因組改造技術、系統生物學、生物信息學等已經有了許多積累，有些領域與發達國家處在同一起跑線上。

　　在談到哪個生命科學領域將率先取得重大突破並對人類健康做出重大貢獻時，諾貝爾獎得主、美國生物學家戴維·巴爾的摩指出，基於基因的一系列治療方法，將像IT技術改變全球人類生活那樣，在未來極大地改善人類健康、提高生命質量。

　　從人類基因組計劃開始，生命科學研究不斷提速。能否抓住機遇，投射了一個國家的綜合實力和戰略決斷。

　　科技部不久前發布的2016年度中國科學十大進展中，生命科學就佔了6個。它們分別是：揭示水稻產量性狀雜種優勢的分子遺傳機制，提出基於膽固醇代謝調控的腫瘤免疫治療新方法，揭示核糖核酸（RNA）剪接的關鍵分子機制，發現精子RNA可作為記憶載體將獲得性性狀跨代遺傳，構建出世界上首個非人靈長類自閉症模型，揭示胚胎發育過程中關鍵信號通路的表觀遺傳調控機理。

　　以增加知識價值為導向的分配政策制定出臺,科技計劃管理改革取得決定性進展,科技成果轉化等重點領域改革取得實質性突破，讓科技人員獲得感進一步增強。一些國際科學界的生命科學難題，經我國科學家努力，有望取得越來越多的實質性突破。

　　新華社記者 陳芳 董瑞豐

　　（新華社北京3月10日電）

(責編：陳苑、黃維)