由美、英、法等多國研究人員組成的科研小組27日宣布，他們成功合成了第一條能正常工作的酵母染色體，這也是人類第一次合成完整的真核生物染色體 。這一成果被譽為攀上了合成生物學的新高峰，也是向合成人造微生物等生命體邁出的一大步。真核生物與原核生物的根本性區(qū)別是前者的細胞內(nèi)含有細胞核。
研究人員在新一期《科學》雜志上報告說，他們利用計算機輔助設計技術，歷時7年成功構造了源于釀酒酵母的被稱作synIII的染色體，盡管合成的僅僅是釀酒酵母16條染色體中最小的一條，但這是通往構建一個完整的真核細胞生物基因組的關鍵一步。
合成的染色體synIII設計圖；研究團隊將染色體變得更加短小精悍又實用。標注部分是在原有染色體上做出的修改，包括對稱重組位點（loxPSym）的插入（青色），終止密碼子的改變（紅色）和同義密碼子的替換（藍色）；黃褐色區(qū)域是刪除的部分，兩端有重組位點。圖片來源：Boeke lab
最讓研究人員自豪的是這條染色體被成功整合進活體酵母細胞之中。研究負責人、美國紐約大學的杰夫·伯克說：“攜帶這條合成染色體的酵母細胞相當正常，它們與野生酵母細胞幾乎一模一樣，只是它們還擁有一些新的能力，能夠完成野生酵母無法完成的事件。”伯克認為，這是一項具有里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”。
2010年，美國科學家克雷格·文特爾曾宣布，培育出第一個由人工合成基因組控制的細胞，引起廣泛爭論。有科學家表示，文特爾的工作是在細菌中完成的，對象只是原核生物，而本次研究是第一次合成了完整的真核生物染色體，且復雜性遠高于前者。
染色體synIII在酵母中的原始版本擁有近32萬個堿基對，伯克等人進行了500多處修改，刪除了近4.8萬個被認為對染色體復制和生長沒有用處的重復堿基對，還刪除了一些被稱為垃圾DNA（脫氧核糖核酸）的序列，比如不能編碼任何蛋白質(zhì)的序列及能夠任意移動并可能導致變異的“跳躍基因”片段，最終構建的染色體擁有約27萬個堿基對。
“改變基因組就像賭博。一個錯誤的變化，就可能殺死細胞”，伯克說，“而我們的酵母仍然活著，這非常重要，說明我們的合成染色體生命力頑強，賦予酵母新的屬性?！?/p>
研究人員說，這項成果將有助于更快地培育新的酵母合成菌株，用于制造稀有藥物，包括治療瘧疾的青蒿素或治療乙肝的疫苗等。此外，合成酵母還能用于生產(chǎn)更有效的生物燃料，如乙醇、丁醇和生物柴油等。伯克說：“我們的研究實現(xiàn)了合成生物學從理論到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)變?！?/p>
研究負責人、美國紐約大學的杰夫·伯克
在人們實現(xiàn)大腸桿菌（Escherichia coli）質(zhì)粒的人工設計與合成的四十多年后，紐約大學的一支團隊實現(xiàn)了真核生物的染色體全合成——他們集結(jié)各方的科研力量，耗時七年，終于合成出了人工染色體synIII，并成功在釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中發(fā)揮功能。這一里程碑式的成果于3月28號發(fā)表在《科學》雜志上。
這個團隊的領導人是杰夫·伯克（Jef Boeke），他是紐約大學朗格尼醫(yī)學中心系統(tǒng)遺傳學研究所的主任。研究所構建的這個染色體是基于釀酒酵母最小的3號染色體設計的，有27萬多個堿基對，其中增刪了許多元件以讓其功能更安全、齊全。不過作為它的模板，3號染色體能控制酵母的有性生殖——這不利于外源性狀的整合。為了讓合成出的染色體不影響酵母的生長繁殖，研究小組在其上的500多個地方進行了修改，并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。在此基礎上，他們還刪去了原基因組中許多不具功能的區(qū)域，如非編碼區(qū)、假基因和轉(zhuǎn)座子。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(wěn)定，更適合外源基因的插入。
科學家歷時7年成功構造了源于釀酒酵母的被稱作synIII的染色體
研究過程中，科學家們借助電腦軟件設計出染色體的結(jié)構，隨后將其分成許多“構建單元”，即700至800堿基對左右相互覆蓋的DNA片段，分別合成；然后利用覆蓋區(qū)域的特異序列將它們逐個“粘合”。在框架搭好后，研究者們利用了“基因洗牌”的方法，將不同的基因片段隨機相互組合，并培養(yǎng)相應的酵母，通過它們的表現(xiàn)——菌落大小、生長曲線，以及不同條件下的細胞形態(tài)——來判斷組合的優(yōu)劣，越接近野生的越好。
早在分子生物學興起的伊始，生物學家們就開始嘗試構建模式生物作為研究工具——它們的遺傳背景清晰，且能夠相對便利地進行基因操作，便于控制實驗變量。而作為原核生物的代表，大腸桿菌更是早早地被人攻破，很快成為最基礎的模式物種之一。真核生物雖然也有人工染色體，但由于其大多是改造的原有染色體，常常含有許多的冗余部分，比如假基因和轉(zhuǎn)座子。重新合成人工染色體，無異于從頭設計它應有的功能，便于科研人員更便捷地進行功能基因組學的研究。而這項動用了美、中、澳、新加坡和英國科研力量的大手筆，無疑是合成生物學上的里程碑。
伯克博士說，這個團隊的下個目標是利用這次的經(jīng)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。
CNN稱，不起眼的酵母菌（圖）在結(jié)構上與人類DNA有許多相似之處
（作者：Paradoxian）
