在我們通常的意識裡，人工合成的物質總是不如天然的，比如人造皮革、人造色素、人造雞蛋等。在吃貨們看來，也是野生的比人工飼養的來得美味。但是在科學界，人工合成還是有不少擁躉的，更有不少科研人員致力於此。而前不久，一項科研成果就掀起了波瀾。
由美、英、法等多國研究人員組成的科研小組，在3月28日出版的《科學》雜誌上報告說，他們合成出了人工真核生物染色體，並成功在釀酒酵母中發揮功能。這是人類首次合成出真核細胞的染色體，也是人類邁向人工合成生命體的重要一步，未來還能大幅提高抗瘧藥、柴油等產品的產量。□時報記者 毛晨怡
500多處修改造出染色體
據該項目的領導人、紐約大學朗格尼醫學中心系統遺傳學研究所主任傑夫·伯克介紹說：「我們並不是直接對現有的染色體作複製，而是在計算機設備上對此作修改，運用一系列我們所知的規則，造出活潑健康的酵母菌。」
此次所合成的這個染色體「synⅢ」，是基於釀酒酵母最小的3號染色體設計的。研究人員歷時7年，使用計算機模擬出酵母菌16個染色體中最小的一個染色體，有27萬多個鹼基對，增刪了其中許多元件以讓其功能更安全、齊全。
研究人員對酵母菌的3號染色體，進行了500多處修改，剔除了近4.8萬處重複片段，以及所謂的「垃圾DNA」，並在DNA上添加了標籤，以便將天然DNA和合成DNA區分開來，並利用大通量的篩選來測試其影響，最終得到效果理想的組合。同時，研究團隊還在許多位點上，進行了序列的插入和增改，以讓它更穩定，更適合外源基因的插入。
研究過程中，科學家們藉助電腦軟體，設計出染色體的結構，隨後將其分成許多「構建單元」，即700至800鹼基對左右相互覆蓋的DNA片段分別合成；然後利用覆蓋區域的特異序列，將它們逐個「黏合」。他們還使用所謂的「搶奪」技術，像洗撲克牌一樣給酵母菌的基因洗牌，製造出了數萬億個不同的遺傳「卡」，將不同的基因片段隨機相互組合，並培養相應的酵母，通過它們的表現，比如菌落大小、生長曲線，以及不同條件下的細胞形態等，來判斷組合的優劣，越接近野生的越好。
合成染色體難度不小
作為原核生物的代表，大腸桿菌更是早早被人攻破，很快成為最基礎的模式物種之一。浙江大學生命科學院生物信息學系主任陳軍教授說：「病毒、原核生物和質粒等，我們現在都已經能夠人工合成。」真核生物雖然也有人工合成的染色體，但由於其大多是原有染色體稍作改裝，常常含有許多的冗餘部分，比如假基因和轉座子，各方面性能都不如synIII。因此，傑夫·伯克認為，這是一項具有裡程碑意義的研究成果，「就像第一個人類基因組被測序完成一樣」。
據陳軍教授介紹，與原核生物不同的是，真核生物的基因組要複雜得多。真核生物的基因組並不像大腸桿菌(原核生物)，只有一個大環狀DNA，而是許多線狀的染色體，不僅在編碼基因的內部存在內含子，不同非編碼區擔負的功能也各異，更是有承擔著末端保護等特殊結構的功能序列。傑夫·伯克表示：「如果人工染色體排序過於雜亂，它會自行刪除，酵母也就死了。」
「如果要在生物體外人工合成染色體的話，目前最多合成幾百個鹼基對，沒法合成一長串的，所以原核生物的染色體，一般可以在真核生物細胞內合成，再導出來。但真核生物的染色體沒法這麼做，它太大了。」陳軍教授說，要有高效地、無誤地合成真核生物的染色體是很有難度的，而這些複雜性，都給真核生物染色體的合成，增加了不小的難度。
2到3年合成完整酵母菌
傑夫·伯克說，「我們僅對單個染色體作重新排序，應該是無法對行業產生什麼革新意義的。」團隊的下個目標是利用這次的經驗，更快更好地合成酵母基因組中更大的染色體，同時在過程中加深對酵母不同基因功能的理解。
因為酵母菌並不止1個染色體，實際上它有16個。研究團隊計劃，最終合成出擁有全部16個染色體的酵母菌基因組，也希望能更迅捷廉價地合成出更大的染色體，這或許還需要耗費研究人員2到3年的時間。他們表示，現在合成染色體的成本非常高，但隨著技術不斷進步，這一點可能會發生變化。
研究人員預測，科學家們將會先設計出「迷你」染色體，用於基因治療(這是一種通過使用起作用的基因替代有缺陷的基因來治療疾病的方式)。
至於合成植物和動物等其他真核生物的染色體，還有很長的路要走。陳軍教授表示，酵母菌的染色體能夠成功合成，並不意味著這一技術現在就能在其他生物細胞內成功，「酵母菌有一個『技能』，它自身能夠對染色體進行重組，用新的染色體代替原本舊的染色體，但其他生物並不一定具備這個『技能』，或者替換效率很低。」
「但這一天終究會到來。」傑夫·伯克說。
名詞解釋
質粒
質粒是一類存在於細菌和真菌細胞中、獨立於細胞核內DNA之外，能夠自主複製的環狀雙鏈DNA分子，一般而言比較小，容易合成。
酵母菌
酵母菌是一些單細胞真菌，可在缺氧環境中生存，在自然界分布廣泛，主要生長在偏酸性的潮溼的含糖環境中，而在釀酒中，它也十分重要。目前已知有1000多種酵母菌，是人類文明史中被應用得最早的微生物。
真核生物
真核生物是所有單細胞或多細胞的、其細胞具有細胞核的生物的總稱，我們平常能直接用肉眼看到的生物，比如植物、動物等都屬於真核生物，以及真菌和其他具有由膜包裹著的複雜亞細胞結構的生物。真核生物與原核生物的根本性區別是，前者的細胞內含有成形的細胞核，因此以真核來命名這一類細胞。許多真核細胞中還含有其它細胞器，如線粒體、葉綠體、高爾基體等。
●未來
可廣泛用於工業生產
這個研究成果有什麼意義呢？陳軍教授說，這意義太大了。
這項研究的意義，不僅在於能夠將人工設計的真核染色體進行全合成。更重要的是，這一發生劇烈變化的染色體，能在酵母細胞中保留並發揮功能。這給今後重要的功能微生物的合成，帶來了動力。
人工合成的染色體還能大大簡化今後的工作，更便捷地改變真核工程細胞的特性。「雖然說我們現在也能夠對真核生物的染色體進行改造，但是，一般來說都是一次折騰一兩個基因，而這個研究成果意味著，我們能夠一次性減少或增加多個基因，甚至大段大段地改造，這樣的話，效率就提高很多。」
2010年首次合成出細菌的「科學怪人」克雷格·文特爾，對最新研究給予了高度讚揚：「這項研究也證明，合成生物學能在大尺度上重寫DNA序列，最新研究也使我們能更好地理解酵母菌(理解生物過程最重要的模型系統之一)基因組結構的規則以及行為。」
除了科研外，還會給許多行業帶來福音，構建能夠適應更為複雜和廣闊環境的酵母。例如，它們能藉此合成出能夠用於生產青蒿素、B肝疫苗、乙醇、丁醇或生物柴油等高效生物燃料的酵母菌菌株，或者能提高生物對不同條件的溫度和pH的適應度，那麼生物製藥和能源等產業將能大大受益。正如傑夫·伯克所說：「未來10年內，我想我們會看到各種由細菌和酵母完成的生物合成產品。」這種技術的推進不僅能夠幫助人們釀酒、做麵包和饅頭，還能大幅提高抗瘧藥、柴油等產品的產量，「需要酵母幫忙的所有東西，最終都能受惠於這項技術。」
並且，科學家們或在最新研究的基礎上，合成出「定製有機體」，讓我們離製造出人造植物和動物更近一步。