科学家首次成功合成酵母染色体 向合成人造生命体迈出一大步

由美、英、法等多国研究人员组成的科研小组27日宣布，他们成功合成了第一条能正常工作的酵母染色体，这也是人类第一次合成完整的真核生物染色体 。这一成果被誉为攀上了合成生物学的新高峰，也是向合成人造微生物等生命体迈出的一大步。真核生物与原核生物的根本性区别是前者的细胞内含有细胞核。

研究人员在新一期《科学》杂志上报告说，他们利用计算机辅助设计技术，历时7年成功构造了源于酿酒酵母的被称作synIII的染色体，尽管合成的仅仅是酿酒酵母16条染色体中最小的一条，但这是通往构建一个完整的真核细胞生物基因组的关键一步。

合成的染色体synIII设计图；研究团队将染色体变得更加短小精悍又实用。标注部分是在原有染色体上做出的修改，包括对称重组位点（loxPSym）的插入（青色），终止密码子的改变（红色）和同义密码子的替换（蓝色）；黄褐色区域是删除的部分，两端有重组位点。图片来源：Boeke lab

最让研究人员自豪的是这条染色体被成功整合进活体酵母细胞之中。研究负责人、美国纽约大学的杰夫·伯克说：“携带这条合成染色体的酵母细胞相当正常，它们与野生酵母细胞几乎一模一样，只是它们还拥有一些新的能力，能够完成野生酵母无法完成的事件。”伯克认为，这是一项具有里程碑意义的研究成果，“就像第一个人类基因组被测序完成一样”。

2010年，美国科学家克雷格·文特尔曾宣布，培育出第一个由人工合成基因组控制的细胞，引起广泛争论。有科学家表示，文特尔的工作是在细菌中完成的，对象只是原核生物，而本次研究是第一次合成了完整的真核生物染色体，且复杂性远高于前者。

染色体synIII在酵母中的原始版本拥有近32万个碱基对，伯克等人进行了500多处修改，删除了近4.8万个被认为对染色体复制和生长没有用处的重复碱基对，还删除了一些被称为垃圾DNA（脱氧核糖核酸）的序列，比如不能编码任何蛋白质的序列及能够任意移动并可能导致变异的“跳跃基因”片段，最终构建的染色体拥有约27万个碱基对。

“改变基因组就像赌博。一个错误的变化，就可能杀死细胞”，伯克说，“而我们的酵母仍然活着，这非常重要，说明我们的合成染色体生命力顽强，赋予酵母新的属性。”

研究人员说，这项成果将有助于更快地培育新的酵母合成菌株，用于制造稀有药物，包括治疗疟疾的青蒿素或治疗乙肝的疫苗等。此外，合成酵母还能用于生产更有效的生物燃料，如乙醇、丁醇和生物柴油等。伯克说：“我们的研究实现了合成生物学从理论到现实的转变。”

研究负责人、美国纽约大学的杰夫·伯克

在人们实现大肠杆菌（Escherichia coli）质粒的人工设计与合成的四十多年后，纽约大学的一支团队实现了真核生物的染色体全合成——他们集结各方的科研力量，耗时七年，终于合成出了人工染色体synIII，并成功在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中发挥功能。这一里程碑式的成果于3月28号发表在《科学》杂志上。

这个团队的领导人是杰夫·伯克（Jef Boeke），他是纽约大学朗格尼医学中心系统遗传学研究所的主任。研究所构建的这个染色体是基于酿酒酵母最小的3号染色体设计的，有27万多个碱基对，其中增删了许多元件以让其功能更安全、齐全。不过作为它的模板，3号染色体能控制酵母的有性生殖——这不利于外源性状的整合。为了让合成出的染色体不影响酵母的生长繁殖，研究小组在其上的500多个地方进行了修改，并利用大通量的筛选来测试其影响，最终得到效果理想的组合。在此基础上，他们还删去了原基因组中许多不具功能的区域，如非编码区、假基因和转座子。同时，研究团队还在许多位点上进行了序列的插入和增改，以让它更稳定，更适合外源基因的插入。

科学家历时7年成功构造了源于酿酒酵母的被称作synIII的染色体

研究过程中，科学家们借助电脑软件设计出染色体的结构，随后将其分成许多“构建单元”，即700至800碱基对左右相互覆盖的DNA片段，分别合成；然后利用覆盖区域的特异序列将它们逐个“粘合”。在框架搭好后，研究者们利用了“基因洗牌”的方法，将不同的基因片段随机相互组合，并培养相应的酵母，通过它们的表现——菌落大小、生长曲线，以及不同条件下的细胞形态——来判断组合的优劣，越接近野生的越好。

早在分子生物学兴起的伊始，生物学家们就开始尝试构建模式生物作为研究工具——它们的遗传背景清晰，且能够相对便利地进行基因操作，便于控制实验变量。而作为原核生物的代表，大肠杆菌更是早早地被人攻破，很快成为最基础的模式物种之一。真核生物虽然也有人工染色体，但由于其大多是改造的原有染色体，常常含有许多的冗余部分，比如假基因和转座子。重新合成人工染色体，无异于从头设计它应有的功能，便于科研人员更便捷地进行功能基因组学的研究。而这项动用了美、中、澳、新加坡和英国科研力量的大手笔，无疑是合成生物学上的里程碑。

伯克博士说，这个团队的下个目标是利用这次的经验，更快更好地合成酵母基因组中更大的染色体，同时在过程中加深对酵母不同基因功能的理解。

CNN称，不起眼的酵母菌（图）在结构上与人类DNA有许多相似之处

（作者：Paradoxian）