天津大學、清華大學和華大基因日前完成了4條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設計與化學合成，實現了生物合成研究的最新突破。北京時間3月10日凌晨三點，國際頂級學術期刊《科學》，以封面形式同時刊發了這4篇研究長文。
什麼是真核生物？為什麼科學家對釀酒酵母「情有獨鍾」？這一突破有何意義？解放日報·上觀新聞記者採訪了中國科學院合成生物學重點實驗室副主任楊琛研究員。
釀酒酵母基因約有23%與人類同源
華大基因理事長楊煥明院士曾說過，在生物學界最重要的分類依據，既不是植物和動物，也不是單細胞和多細胞，而是以原核生物和真核生物來區分。原核生物是沒有成形細胞核或線粒體的一類單細胞，真核生物與原核生物的根本區別是其細胞內有以核膜為邊界的細胞核。原核生物的基因組相對簡單，真核生物通常包含數億乃至數十億鹼基對信息，更加接近人的細胞。因此，要想合成一個真核生物的基因組異常艱巨。
釀酒酵母，又稱麵包酵母或出芽酵母，除了用於製作麵包饅頭等食品及釀酒，還在分子和細胞生物學中用作模式真核生物。釀酒酵母是1996年第一個完成基因組測序的真核生物，有16條染色體，其基因約有23%與人類同源。
突破生物合成多項核心技術
合成生物學是繼「DNA雙螺旋發現」和「人類基因組測序計劃」之後的第三次生物技術革命。美國科學院院士傑夫·伯克發起了釀酒酵母基因組合成計劃，試圖重新設計併合成釀酒酵母的全部16條染色體。該項目由美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構參與，每個研究組被分配到了一至兩條染色體。迄今，中外科學家共完成5條染色體的化學合成，其中中國科學家就完成了4條。
「如果用『十年磨一劍』來形容這一突破背後的努力，一點也不為過。」 楊琛說，2010年美國的科學家曾經合成了原核生物染色體，但還只是單純地複製，由於對其生命密碼沒有完全掌握，也不敢對其進行任何改造，否則細胞就會失去活性。2016年，在這基礎上，他們又設計併合成了最小基因組，足以使細菌存活。
此次中國科學家不僅實現了對「兆級」片段基因組的合成，還突破了生物合成方面的多項核心技術。比如，開發了染色體缺陷靶點定位和染色體修復技術，解決了全化學合成基因組導致細胞失活的難題，從而能夠成功調控酵母的生長，並具備各種環境響應能力。
「合成基因組的過程，首先是合成一小段，再像搭積木一樣，把多個小段組裝成中段，再組裝成長片段。這個過程是很容易出錯的。」 楊琛說，此次合成建立了染色體缺陷靶點的快速定位與精確修復技術，解決了超長人工DNA片段的精準合成難題。
此外，這次化學合成還建立了一組環形染色體模型，為環形染色體疾病和癌症等疾病的治療提供了研究模型。
從「跟跑」轉為「並跑」
化學合成酵母染色體，有何意義呢？「就像楊煥明院士所說，我國在釀酒酵母設計與合成研究中，已經由『跟跑』轉為『並跑』！」楊琛認為，這一工作標誌著人類可以設計併合成真核生物的基因組，在人造生命方面邁出了非常重要的一步：一方面可以更深刻地認識基因組的靈活性與可塑性，進一步深化對生命複雜性的理解；另一方面，此前，基因修飾的酵母已經用來製作疫苗和藥物，這些人工合成酵母將在醫藥、能源、環境、農業和工業等領域具有重要的應用潛力。
題圖來源：視覺中國 圖片編輯：徐佳敏