365bet官方网址 农业 我国科学家人工合成完整活性染色体

我国科学家人工合成完整活性染色体



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生命可以设计和再造吗?我国科学家利用化学物质合成了4条人工设计的酿酒酵母染色体,标志着人类向“再造生命”又迈进一大步。研究结果10日以封面文章的形式在国际知名学术期刊《科学》上发表,我国也成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家。

  《北京日报》(2017年3月11日06版)

酿酒酵母是生物遗传学研究的一个重要模式生物。以合成型酿酒酵母染色体为研究对象,可以加快在基因组重排、环形染色体进化领域的研究进度,为人类环形染色体疾病、癌症和衰老等提供研究与治疗模型。

  “人工合成酵母基因组计划”完成过半

365bet官方网址,2012年开始,天津大学、清华大学和深圳华大基因研究院与美国等国家的科研机构共同推动了酵母基因组合成国际计划,旨在对酿酒酵母基因组进行人工重新设计和化学再造。我国科学家此次成功合成的4条酿酒酵母染色体,占Sc2.0计划已经合成染色体的三分之二。

  中国科学家完成最新成果中的五分之四

从“读”到“写”

  新华社华盛顿3月9日电(记者
林小春)“人工合成酵母基因组计划”研究人员9日宣布,他们又完成了真核生物酿酒酵母5条染色体的从头设计与全合成工作,且分析显示全合成染色体具备完整的生命活性。至此,这一项目的进程已经过半,科学家在合成复杂人工生命的道路上取得了重大进展。

生命认识的巨大飞跃

  最新研究成果当天以7篇论文的专刊及封面文章形式在美国《科学》杂志上发表。

来自天津大学、清华大学和深圳华大基因研究院的研究人员介绍,这项研究利用小分子核苷酸精准合成了有活性的真核染色体,得到的基因组可以很好地调控酵母的功能。

  “人工合成酵母基因组计划”是人类首次尝试改造并从头合成真核生物,旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体,其中最小一条已于2014年宣布完成。由于染色体有大有小,已设计并合成的染色体条数虽不及总数的一半,但整体工作量已经过半。

同时,合成的染色体经过精致的人工设计:删除了研究者认为无用的DNA,加入了人工接头,总体长度比天然染色体缩减8%。

  该项目由美国国家科学院院士杰夫·伯克发起,美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作,希望通过对酿酒酵母的改造,更加透彻地了解机体的生物学机制、生物学反应、对环境的适应性、进化过程等,从而更好地解决人类面临的身体健康、能源短缺、环境污染等问题。

“人工合成染色体的价值,在于实现对基因的操控。”天津大学化工学院教授元英进说,如果合成的染色体与所取代的天然染色体完全相同,仅仅是“知其然”,但重新设计了染色体并确保细胞活性,说明研究人员已经开始“知其所以然”。

  在最新发布的成果中,中国科学家领衔完成了5条染色体中的4条。其中,天津大学元英进教授带领的团队完成了5号、10号染色体的化学合成,并开发了高效的染色体点突变修复技术。清华大学戴俊彪研究员带领的团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体的全合成。深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体的合成及有关分析。

2010年,美国科学家首次将人工合成的基因组植入一个原核细菌,开启了化学合成生命的研究大门。不过,包括动物、植物和真菌在内的真核生物,其染色体更加复杂,设计与合成的难度也更高。

  元英进此次以唯一通讯作者身份发表了2篇论文。他在一份声明中说:“作为真核生物的重要模式生物,化学合成酵母一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题,另一方面可以通过基因组重排系统实现快速进化,得到在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。”

元英进说,此次研究解决了合成单细胞真核生物的基本科学问题,为未来设计、构建复杂的真核生物细胞提供了更多知识储备。

  华大基因与爱丁堡大学共同完成2号染色体的从头设计与全合成,并成功将其导入酵母细胞。合成酵母菌株展现出与野生型高度相似的生命活性。他们的分析还表明,人工设计合成的酿酒酵母基因组具有可增加、可删减的高度灵活性。

中国科学院院士杨焕明介绍,在掌握了基因序列的秘密之后,研究人员还将通过对染色体的设计、构建、测试一系列过程,来验证和修正对基因组的认识。

  项目国际协调人、英国爱丁堡大学团队带头人蔡毅之教授对新华社记者说,他们的工作是迈向设计并合成复杂人工生命目标的一大步。简单来讲,就好像重新设计计算机的操作系统,但没有改变屏幕、鼠标等硬件。

“如果说基因组测序是‘读懂生命密码’,基因组合成就是在‘编写生命密码’,从读到写,是一个巨大飞跃。”杨焕明说。

  2010年,美国科学家克雷格·文特尔曾宣布,以支原体基因组为模板,培育出第一个由人工合成基因组控制的细胞,引起广泛关注。蔡毅之说,他们工作的复杂性远远超过文特尔的工作。文特尔单枪匹马独自做,基本上是复制支原体基因组,成果并不开源;而他们是国际合作,从头设计酵母染色体,有许多编辑删改工作,成果对所有人开放。

“生命2.0”

  蔡毅之还透露,最新发布的论文是2015年投寄的,他们目前实际上已经完成了70%的酵母染色体设计及合成工作,预计接下来一两年就能完成整个项目,“这是一个将来会进入教科书的里程碑式工作”。

有望解决人类医学难题

  北京日报:

由于酿酒酵母是遗传学研究常用的一种模式生物,人工合成的酿酒酵母染色体,能够为癫痫、癌症、智力发育迟缓和衰老等人类面临的医学难题提供研究与治疗模型。

  (编辑 赵习钧 姚超)

元英进举例说,利用酵母菌细胞可以研究染色体异常,如果找到并修复细胞的基因组失活点,有望治疗因染色体异常而导致的发育异常。

“如同建房子,人类从天然洞穴起步,建筑材料越来越好,形式越来越美。生命也是一样,通过人工设计、化学再造,未来可以想象有2.0、3.0,版本越来越高。”元英进说。

此外,酿酒酵母本身有着巨大的工业开发潜力。华大基因合成生物学项目负责人沈玥说,应用生物技术,酿酒酵母理论上可以合成人类赖以生存的一切有机物。比如,用酵母菌合成青蒿素已经产业化,成本远低于传统的植物提取。但由于酿酒酵母比较脆弱,对环境的要求严苛,其应用范围一直受限。

杨焕明认为,当科学家完全掌握了设计、合成酿酒酵母染色体的技术后,可以更便捷地改进酿酒酵母适应环境的能力,让发酵罐生产出更多样化、成本更低廉的食物和能源等。

“试想有一种细菌,能把垃圾快速分解,或者把霾全部吸收。”清华大学生命科学学院研究员戴俊彪说,科学家希望利用合成生物技术,解决污染、能源短缺等人类面临的难题。对酿酒酵母染色体加入更多设计,能帮助研究人员理解更多的生物学问题。

创造生命

目前还做不到“无中生有”

不过,虽然此次人工合成的酿酒酵母染色体有着精巧设计,它们仍然是天然染色体的模仿品。“我们对生命的了解还远远不够,还做不到‘无中生有’。”戴俊彪说。

戴俊彪将之比作“二手房装修”:风格可以迥然一变,但房间还是原来的房间,并非从零开始盖房。

另外,科学家目前着力于设计和建构染色体,然后将人工合成的染色体植入原有的天然细胞中。“如果细胞不匹配,就好比拖拉机发动机安装在小轿车上。”戴俊彪说,若要重新设计、建构整个细胞,还有非常漫长的一段路要走。

元英进说,通过此次研究,把非生命的化学物质组装成染色体,找到导致细胞死亡、细胞失活、生长缺陷的各项关键要素,未来有望实现人工设计与合成的突破。

新华社记者 陈芳 董瑞丰

“人工合成酵母基因组计划”完成过半

中国科学家完成最新成果中的五分之四

新华社华盛顿3月9日电“人工合成酵母基因组计划”研究人员9日宣布,他们又完成了真核生物酿酒酵母5条染色体的从头设计与全合成工作,且分析显示全合成染色体具备完整的生命活性。至此,这一项目的进程已经过半,科学家在合成复杂人工生命的道路上取得了重大进展。

最新研究成果当天以7篇论文的专刊及封面文章形式在美国《科学》杂志上发表。

“人工合成酵母基因组计划”是人类首次尝试改造并从头合成真核生物,旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体,其中最小一条已于2014年宣布完成。由于染色体有大有小,已设计并合成的染色体条数虽不及总数的一半,但整体工作量已经过半。

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