基因设计里程碑

基因设计里程碑重大事件 或开启“再造生命”纪元

基因设计里程碑事件：华大基因等人工合成染色体
3月10日出版的国际顶级学术期刊《科学》，以封面的形式同时刊发了中国科学家的4篇研究长文。4篇长文介绍了真核生物基因组设计与化学合成方面的系列重大突破：完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成，此前国际同行奋斗多年才发现了一条，这项研究或开启“再造生命”新纪元。
据人民日报3月10日消息，在合成染色体的过程中，他们还突破了生物合成方面的多项关键核心技术，比如：突破合成型基因组导致细胞失活的难题，设计构建染色体成环疾病模型，开发长染色体分级组装策略，证明人工设计合成的基因组具有可增加、可删减的灵活性，等等。这些技术将帮助在全世界的生命科学研究和相关实际应用中大显身手，其价值不可估量。
国内外同行指出，这是继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破，开启人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。
曾参与“人类基因组测序计划”的华大基因理事长杨焕明院士介绍说，合成生物学(Synthetic Biology)是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后，以基因组设计合成为标志的第三次生物技术。
“项目具体发现”
元英进团队成员、“10号染色体”文章第一作者、天津大学博士生吴毅介绍说：在合成长达770kb(kb：千碱基对)的酿酒酵母10号染色体的过程中，我们创建了基因组缺陷靶点快速定位与精确修复方法，解决了全化学合成基因组导致细胞失活的难题。我们所得到的全合成酵母染色体具备完整的生命活性，能够成功调控酵母的生长，并具备各种环境响应能力。
“5号染色体”文章第一作者、天津大学博士生谢泽雄说，在全面推进Sc2.0计划的过程中，我们建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术和DNA大片段重复修复技术，解决了超长人工DN段的精准合成难题。同时，我们首次实现了真核人工基因组化学合成序列与设计序列的完全匹配，系统性支撑与评价了当前真核生物的设计原则。该技术的突破为研究人工设计基因组的重新设计、功能验证与技术改进奠定了基础。
清华大学的戴俊彪团队，则设计合成了12号染色体。在研究中，他们开发了长染色体分级组装的策略，即：首先通过大片段合成序列，在6个菌株中分别完成了对染色体不同区域内源DNA的逐步替换；然后利用酵母减数分裂过程中同源重组的特性，将多个菌株中的合成序列进行合并，获得完整的合成型染色体。针对12号染色体上存在的高度重复的核糖体RNA编码基因簇进行删除及工程化改造，并利用修改后的重复单元在基因组多个位点重建了核糖体RNA编码基因簇。
深圳华大基因研究院与英国爱丁堡大学共同完成2号染色体的从头设计与全合成(长770 Kb)，合成酵母菌株展现出与野生型高度相似的生命活性。该论文的第一作者、深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沈玥介绍说，科研人员使用“贯穿组学(Trans-Omics)”方法，从表型、基因组、转录组、蛋白质组和代谢组五个层次系统地进行基因型-表现型的深度关联分析，证明了人工设计合成的酿酒酵母基因组可增加、可删减的高度灵活性。“
令人欣喜的是，华大基因与爱丁堡大学合成的酵母菌株，不仅与野生型有高度相似的生命活性，而且对环境的适应性加强，其进化速度呈几何级提高。
“项目意义”
这项研究发现可以说是中国在合成生物学领域取得的突破性成果，进一步奠定了我国在这一领域的国际地位。杨焕明表示，不难看出我们在生命科学研究领域的巨大进步。在酿酒酵母设计与合成研究中，我们已由“跟跑”转为“并跑”，今后“领跑”也不是不可能。
我国科学家取得的上述成果，不仅对于深化生命认知、推进相关研究意义重大，而且也将在实际应用中大显身手。此前，基因修饰的酵母已经用来制作疫苗、药物和特定的化合物，这些新成果的发表意味着化学物质设计定制酵母生命体成为可能，产物范围也将被拓展。随着人工合成酵母的推广应用，必将显著提高其在工业生产、药物制造等方面的效率与质量。