國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》，以封面的形式同時(shí)刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)家的4篇研究長(zhǎng)文。

由天津大學(xué)、清華大學(xué)和華大基因分別完成的這4篇長(zhǎng)文，介紹了真核生物基因組設(shè)計(jì)與化學(xué)合成方面的系列重大突破：完成了4條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設(shè)計(jì)與化學(xué)合成——要知道，釀酒酵母總共有16條染色體，此前國(guó)際同行奮斗多年才發(fā)現(xiàn)了一條。

在合成染色體的過(guò)程中，他們還突破了生物合成方面的多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，比如：突破合成型基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題，設(shè)計(jì)構(gòu)建染色體成環(huán)疾病模型，開(kāi)發(fā)長(zhǎng)染色體分級(jí)組裝策略，證明人工設(shè)計(jì)合成的基因組具有可增加、可刪減的靈活性，等等。這些技術(shù)將幫助在全世界的生命科學(xué)研究和相關(guān)實(shí)際應(yīng)用中大顯身手，其價(jià)值不可估量。

國(guó)內(nèi)外同行指出，這是繼合成原核生物染色體之后的又一里程碑式突破，開(kāi)啟人類(lèi)“設(shè)計(jì)生命、再造生命和重塑生命”的新紀(jì)元。

參與國(guó)際釀酒酵母基因組合成計(jì)劃的中國(guó)科學(xué)家代表，自左至右依次為：李炳志、戴俊彪、楊煥明、元英進(jìn)、沈玥。

人工合成酵母染色體，意義何在?

曾參與“人類(lèi)基因組測(cè)序計(jì)劃”的華大基因理事長(zhǎng)楊煥明院士介紹說(shuō)，合成生物學(xué)(Synthetic Biology)是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類(lèi)基因組測(cè)序計(jì)劃”之后，以基因組設(shè)計(jì)合成為標(biāo)志的第三次生物技術(shù)革命。他指出，生物學(xué)界內(nèi)最重要的分類(lèi)依據(jù)，既不是植物和動(dòng)物，也不是多細(xì)胞和單細(xì)胞生物，而是以原核生物和真核生物來(lái)區(qū)分?！凹?xì)菌、病毒等原核生物的基因組相對(duì)簡(jiǎn)單，而動(dòng)物、植物、真菌等等真核生物的基因(DNA)既豐富又復(fù)雜，通常會(huì)包含數(shù)億至甚至數(shù)十億堿基對(duì)信息。同時(shí)，作為遺傳物質(zhì)的DNA通常被分配到不同的染色體中，而這些染色體又深藏在細(xì)胞核的特定區(qū)域。所以，合成一個(gè)真核生物的基因組是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。但是，如果生物學(xué)真正做到引領(lǐng)技術(shù)革命，合成真核生物基因組技術(shù)必將發(fā)揮非常核心的作用。”

為完成設(shè)計(jì)和化學(xué)再造完整的釀酒酵母基因組，國(guó)際科學(xué)界發(fā)起了釀酒酵母基因組合成計(jì)劃(Sc2.0計(jì)劃)，這是合成基因組學(xué)(Synthetic genomics)研究的標(biāo)志性國(guó)際合作項(xiàng)目。該項(xiàng)目由美國(guó)科學(xué)院院士杰夫·伯克發(fā)起，有美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、澳大利亞、新加坡等多國(guó)研究機(jī)構(gòu)參與并分工協(xié)作，試圖重新設(shè)計(jì)并合成釀酒酵母的全部16條染色體(長(zhǎng)約12Mb，1Mb是百萬(wàn)堿基對(duì))。

天津大學(xué)化工學(xué)院教授元英進(jìn)是最早參與該計(jì)劃的中國(guó)科學(xué)家，此次在《科學(xué)》期刊上以通訊作者身份發(fā)表了2篇論文。他告訴記者，如同科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的果蠅、斑馬魚(yú)，釀酒酵母是生物學(xué)研究中的“模式真核單細(xì)胞生物”?！叭绻f(shuō)病毒基因組的合成開(kāi)啟了基因組化學(xué)合成研究，那么原核生物和真核生物基因組合成研究的不斷突破，則初步實(shí)現(xiàn)了化學(xué)全合成基因組對(duì)單細(xì)胞原核生物和真核生物的生命調(diào)控?！搬劸平湍甘堑谝粋€(gè)被全基因組測(cè)序的真核生物，大尺度的設(shè)計(jì)和重建酵母基因組是對(duì)目前酵母領(lǐng)域知識(shí)貯備的真實(shí)性、完整性和準(zhǔn)確性的一個(gè)直接考驗(yàn)?；瘜W(xué)合成酵母，一方面可以幫助人類(lèi)更深刻地理解一些基礎(chǔ)生物學(xué)的問(wèn)題，另一方面可以通過(guò)基因組重排系統(tǒng)，使酵母實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)化，得到在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用潛力的菌株?！?/p>

中國(guó)科學(xué)家在合成酵母中發(fā)現(xiàn)了什么?

2014年，Sc2.0已創(chuàng)建了一個(gè)單一的人工酵母染色體。此次國(guó)際合作，中外科學(xué)家們共完成了5條染色體的化學(xué)合成，其中中國(guó)科學(xué)家完成了4條，占完成數(shù)量的66.7%，把Sc2.0計(jì)劃向前推進(jìn)了一大步。

其中，元英進(jìn)帶領(lǐng)的天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了5號(hào)、10號(hào)(synV、synX)染色體的化學(xué)合成，并開(kāi)發(fā)了高效的染色體缺陷靶點(diǎn)定位技術(shù)和染色體點(diǎn)突變修復(fù)技術(shù);戴俊彪研究員帶領(lǐng)清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了當(dāng)前已合成染色體中最長(zhǎng)的12號(hào)染色體(synXII)的全合成;深圳華大基因研究院團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了2號(hào)染色體(synII)的合成及深度基因型-表型關(guān)聯(lián)分析。

“人工合成基因組的尺度和復(fù)雜度的不斷提升，向科學(xué)界對(duì)生物體運(yùn)作方式以及生命本質(zhì)的認(rèn)知提出了越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。在基因組尺度的DNA合成中面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，是定位人工基因組中影響細(xì)胞長(zhǎng)勢(shì)的序列，即缺陷(bug)。常規(guī)的排除缺陷(debugging)的方法有三種，都有費(fèi)時(shí)耗力、效率不高的缺點(diǎn)?！痹⑦M(jìn)團(tuán)隊(duì)成員、“10號(hào)染色體”文章第一作者、天津大學(xué)博士生吳毅介紹說(shuō)：在合成長(zhǎng)達(dá)770kb(kb：千堿基對(duì))的釀酒酵母10號(hào)染色體的過(guò)程中，我們創(chuàng)建了基因組缺陷靶點(diǎn)快速定位與精確修復(fù)方法，解決了全化學(xué)合成基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題。我們所得到的全合成酵母染色體具備完整的生命活性，能夠成功調(diào)控酵母的生長(zhǎng)，并具備各種環(huán)境響應(yīng)能力。此方法在化學(xué)合成基因組研究中具有普適性，并且作為一種新穎的表型和基因組關(guān)聯(lián)性分析的策略，有望顯著提升我們對(duì)基因組結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)知?！?/p>

“5號(hào)染色體”文章第一作者、天津大學(xué)博士生謝澤雄說(shuō)，在全面推進(jìn)Sc2.0計(jì)劃的過(guò)程中，我們建立了基于多靶點(diǎn)片段共轉(zhuǎn)化的基因組精確修復(fù)技術(shù)和DNA大片段重復(fù)修復(fù)技術(shù)，解決了超長(zhǎng)人工DNA片段的精準(zhǔn)合成難題。同時(shí)，我們首次實(shí)現(xiàn)了真核人工基因組化學(xué)合成序列與設(shè)計(jì)序列的完全匹配，系統(tǒng)性支撐與評(píng)價(jià)了當(dāng)前真核生物的設(shè)計(jì)原則。該技術(shù)的突破為研究人工設(shè)計(jì)基因組的重新設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證與技術(shù)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。利用化學(xué)合成的酵母5號(hào)染色體定制化建立了一組環(huán)形染色體模型，通過(guò)人工基因組中設(shè)計(jì)的特異性水印標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞分裂過(guò)程中染色體變化的追蹤和分析，為研究當(dāng)前無(wú)法治療的環(huán)形染色體疾病、癌癥和衰老等發(fā)生機(jī)理和潛在治療手段提供了了研究模型。此外，我們發(fā)展了多級(jí)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化基因組合成方法，創(chuàng)建了一步法大片段組裝技術(shù)和并行式染色體合成策略，實(shí)現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定制精準(zhǔn)合成?！?/p>

清華大學(xué)的戴俊彪團(tuán)隊(duì)，則設(shè)計(jì)合成了12號(hào)染色體。在研究中，他們開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)染色體分級(jí)組裝的策略，即：首先通過(guò)大片段合成序列，在6個(gè)菌株中分別完成了對(duì)染色體不同區(qū)域內(nèi)源DNA的逐步替換;然后利用酵母減數(shù)分裂過(guò)程中同源重組的特性，將多個(gè)菌株中的合成序列進(jìn)行合并，獲得完整的合成型染色體。針對(duì)12號(hào)染色體上存在的高度重復(fù)的核糖體RNA編碼基因簇進(jìn)行刪除及工程化改造，并利用修改后的重復(fù)單元在基因組多個(gè)位點(diǎn)重建了核糖體RNA編碼基因簇?！霸摴ぷ鞯於宋磥?lái)對(duì)其他超大、結(jié)構(gòu)超復(fù)雜的基因組進(jìn)行設(shè)計(jì)與編寫(xiě)的基礎(chǔ)，同時(shí)也證明了酵母基因組中rDNA(核糖體DNA)區(qū)域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性?！贝骺”氡硎尽?/p>

深圳華大基因研究院與英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)共同完成2號(hào)染色體的從頭設(shè)計(jì)與全合成(長(zhǎng)770 Kb)，合成酵母菌株展現(xiàn)出與野生型高度相似的生命活性。該論文的第一作者、深圳國(guó)家基因庫(kù)合成與編輯平臺(tái)負(fù)責(zé)人沈玥介紹說(shuō)，科研人員使用“貫穿組學(xué)(Trans-Omics)”方法，從表型、基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組五個(gè)層次系統(tǒng)地進(jìn)行基因型-表現(xiàn)型的深度關(guān)聯(lián)分析，證明了人工設(shè)計(jì)合成的釀酒酵母基因組可增加、可刪減的高度靈活性?！?/p>

令人欣喜的是，華大基因與愛(ài)丁堡大學(xué)合成的酵母菌株，不僅與野生型有高度相似的生命活性，而且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性大大加強(qiáng)，其進(jìn)化速度呈幾何級(jí)提高。

人工合成4條酵母染色體，價(jià)值何在?

“2000年公布的人類(lèi)基因組測(cè)序，中國(guó)只承擔(dān)了百分之一的工作，這次我們完成了釀酒酵母染色體合成的四分之一，可以說(shuō)是中國(guó)在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得的突破性成果，進(jìn)一步奠定了中國(guó)在這一領(lǐng)域的國(guó)際地位?！睏顭髡f(shuō)，“兩相比較，不難看出我們?cè)谏茖W(xué)研究領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。在釀酒酵母設(shè)計(jì)與合成研究中，我們已由‘跟跑’轉(zhuǎn)為‘并跑’，今后‘領(lǐng)跑’也不是不可能?！?/p>

Sc2.0計(jì)劃國(guó)際化的高效運(yùn)作模式也給國(guó)際性大型旗艦項(xiàng)目提供了很好的參考模板，該計(jì)劃的實(shí)施是基因組編寫(xiě)計(jì)劃的重要基礎(chǔ)。元英進(jìn)認(rèn)為，多國(guó)組成大型國(guó)際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)使突破重大科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題具有必然性，中國(guó)的研究者在本次國(guó)際計(jì)劃中發(fā)揮了舉足輕重的作用。在這個(gè)過(guò)程中，我們培養(yǎng)了大批具有國(guó)際視野的拔尖創(chuàng)新青年人才，中國(guó)的基因組設(shè)計(jì)合成能力也提升到了前所未有的高度。此次國(guó)際合作取得的巨大成功將鼓勵(lì)更多的中國(guó)的學(xué)者更積極地參與到大型國(guó)際合作項(xiàng)目中去。

據(jù)介紹，在歷屆合成基因組年度會(huì)議上，天津大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)均向國(guó)際合作聯(lián)盟介紹了自己的項(xiàng)目研究進(jìn)展。2016年7月，第五屆Sc2.0和合成基因組會(huì)議在英國(guó)愛(ài)丁堡舉行，吳毅和謝澤雄介紹了天津大學(xué)化學(xué)全合成釀酒酵母染色體的最新研究進(jìn)展。同時(shí)，天津大學(xué)合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)4名成員積極參與2016年5月舉行的基因組合成閉門(mén)會(huì)議，加入了“世界合成生物學(xué)頂級(jí)俱樂(lè)部”。

據(jù)戴俊彪介紹，中國(guó)科學(xué)家取得的上述成果，不僅對(duì)于深化生命認(rèn)知、推進(jìn)相關(guān)研究意義重大，而且也將在實(shí)際應(yīng)用中大顯身手。此前，基因修飾的酵母已經(jīng)用來(lái)制作疫苗、藥物和特定的化合物，這些新成果的發(fā)表意味著化學(xué)物質(zhì)設(shè)計(jì)定制酵母生命體成為可能，產(chǎn)物范圍也將被拓展。隨著人工合成酵母的推廣應(yīng)用，必將顯著提高其在工業(yè)生產(chǎn)、藥物制造等方面的效率與質(zhì)量。

“這背后是中國(guó)的科技工作者‘咬定青山不放松，立根原在破巖中’的不懈探索精神?！碧旖虼髮W(xué)青年教師、國(guó)家優(yōu)青獲得者、此次2篇學(xué)術(shù)論文的共同第一作者李炳志表示，“科技工作者要耐得住寂寞，坐得住冷板凳，用‘十年磨一劍’的勁頭來(lái)治學(xué)。謝澤雄和吳毅多年來(lái)沒(méi)有發(fā)表過(guò)任何相關(guān)文章，這是他們自本科至今發(fā)表的第一篇研究論文?！?/p>

據(jù)悉，上述團(tuán)隊(duì)正在此前成果的基礎(chǔ)上乘勝前進(jìn)，有望在不久的將來(lái)給人類(lèi)更多驚喜。