由釀酒酵母開啟的重塑生命計劃

由釀酒酵母開啟的重塑生命計劃

文/欒曉東

人工合成酵母基因組計劃

「人工合成酵母基因組計劃」是國際科學界發起的釀酒酵母基因組合成計劃。這項研究計划具有很重要的現實意義，這個領域的快速突破，將給生物製造、醫藥、能源、環境、農業等領域，帶來顛覆性的發展。近日，參與該研究項目的中國科學家取得了突破性的科研進展。2017年3月10日出版的國際頂級學術期刊《科學》，還以封面的形式同時刊發了中國科學家的4篇相關研究長文！

這是怎樣一個厲害的生物技術呢？下面就讓我們來一探究竟。

真核生物合成——一個複雜的「建築」搭建

近日，《科學》雜誌封面文章登載的由天津大學、清華大學和華大基因分別完成的4篇長文，介紹了真核生物基因組設計與化學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完整設計與化學合成——要知道，釀酒酵母總共有16條染色體，此前國際同行奮鬥多年才發現了1條。那麼什麼是人工合成？其研究意義又是什麼呢？

人工合成，說到這個詞我們就不得不提到一個新興的學科——合成生物學。所謂合成生物，就是與傳統生物學通過解剖生命體以研究其內在構造的辦法不同，合成生物學的研究方向完全是相反的，它則是從最基本的要素開始一步步建立零部件。與基因工程把一個物種的基因延續、改變並轉移至另一物種的做法不同，合成生物學的目的在於建立人工生物系統，讓它們像電路一樣運行。

簡單來說，就拿我們都做過的一個初中物理實驗來說，我們通過並聯和串聯的方式將電線和燈泡、開關等進行組裝，最終點亮燈泡。合成生物學指人們將「基因」 連接成網路，讓細胞來完成設計人員設想的各種任務。這聽起來很簡單，但在複雜的生物體內，這項工作就顯得尤為不易。

此次，中國科學家團隊完成了4條真核生物染色體的合成，占目前總完成數量的66.7%。

模式生物——酵母菌

生物列印的可視化酵母的16個染色體

在我們對生物的基本了解中，DNA是生物的主要遺傳物質。DNA主要存在於細胞核中，被核膜所包裹，這樣的生物被稱為真核生物。而原核生物的遺傳物質是裸露的，沒有核膜包裹。引起感冒癥狀產生的流感病毒，它們只能寄生在人體等宿主中，它們沒有細胞結構，所以被稱之為非細胞生物。

說起酵母菌，去年獲得諾貝爾生理學或醫學獎的大隅良典的工作就是在酵母菌中完成的，它也是一類真核生物，所以它是具有細胞核結構的，它也是我們所說的模式生物。所謂模式生物，就是通過對選定的生物物種進行科學研究，從而揭示某種具有普遍規律的生命現象，那麼這類物種就被稱為模式生物。

在生物的基因表達過程中，有一個由發現DNA 雙螺旋結構的科學家克里克提出的「中心法則」，就是DNA通過RNA聚合酶的作用轉錄形成RNA，RNA再在核糖體和轉運RNA的作用下翻譯形成蛋白。就是沿著這個不斷流動的方向，DNA最終發揮功能。

但是在真核生物的基因調控中，有很多複雜的過程，這裡舉一個簡單的例子，就是RNA的成熟。生物的遺傳物質想要發揮功能，就要通過一系列的過程，首先就是DNA轉錄形成的RNA。但是並不是所有的RNA都會翻譯形成蛋白質，有一部分參與基因調控的就是非編碼RNA，之所以稱之為非編碼RNA，就是因為它不會編碼或者翻譯形成蛋白質。

酵母電鏡照片

而我們的信使RNA，也就是最終會形成蛋白質或者翻譯的RNA，也需要在剪接體（進行RNA剪接時形成的複合物）的作用下，進一步成熟。

其實，真核生物的遺傳物質也很複雜，染色體是我們遺傳物質的聚合體，它上面不僅僅含有大家了解的DNA，更含有一些蛋白質的成分。

那麼染色體是怎麼完成組裝的呢？大家知道DNA是典型的雙螺旋結構，在1953年由年僅25 歲的詹姆斯·沃森和37歲的弗朗西斯·克里克共同發現的。而染色體呢？染色體是細胞內具有遺傳性質的遺傳物質深度壓縮形成的聚合體，易被鹼性染料染成深色，所以叫染色體（由染色質組成）。就像成串的珠子一樣，DNA為繩，組蛋白為珠，染色質發生螺旋就形成了二級結構，再發生螺旋就形成三級結構，這是一個複雜的摺疊過程。

扮演著「上帝之手」角色的合成生物學

科學家目前已經完成了病毒、噬菌體、細菌等物種的基因組設計與構建，並且這些人工合成的基因組也能夠正常地完成自我複製和繁衍等生物功能。

這麼多的研究內容似乎都是很基礎的理論研究，但是這項基礎研究又會給我們的現實生活帶來哪些影響呢？這次發表的實驗成果，主要通過對釀酒酵母基因組的設計、合成以及改造，以期能夠從全基因組水平更透徹地理解遺傳物質發揮功能的生物學機制、遺傳信息的傳遞與調控，從而幫助人類有目的地設計和改造生命體，實現預設功能，有效解決人類目前面臨的環境污染、糧食短缺等重大挑戰。

就像輸入計算機編程語言一樣，讓生物體發揮功能，把生物體當成一台複雜的計算機，而蛋白質和其他功能就是顯示器和運算結果，這樣，人類就可以有效和高水平地表達我們想要的一些化合物。

例如把基因網路同簡單的細胞相結合，可提高生物感測性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。再如向基因網路加入人體細胞，可以製成用於器官移植的完整器官。

其實，如果說上帝是造物主的話，合成生物學扮演的就是「上帝之手」的角色，它與傳統的解剖生物學的手段相比，是讓科學家們自己完成設計和製造的一個過程，從最基本的要素開始一步步建立零部件。重塑生命，這正是合成生物學這一新興科學的核心思想。

合成生物學的未來

看了前面的介紹，很多人對合成生物一定是興緻勃勃了。合成生物學可以通過修復細胞功能、消除腫瘤、刺激細胞生長和使某些決定性細胞再生，實現治療各種疾病的目的，但是合成生物學的研究仍然處於剛剛起步的階段。

對於通過合成生物學製成的複雜有機體而言，如果它是由各種來源的遺傳序列組合而成或者含有人工DNA，就很難確定其「遺傳譜系」。另外，重組後的遺傳序列是否保留其原有的功能，或者新組分之間是否會產生協同反應從而導致異常的功能、行為，也是個問題。隨著對有關遺傳成分認知的增加，科學家們也許可以預測新的遺傳改造所具有的功能，但是，和自然物質的遺傳成分合成的有機體可能會表現出原來沒有過的「新行為」（新的性狀）。

合成生物學的手段也可以合成病毒、噬菌體等有可能危害人類健康的生物，很多的生物倫理和生物安全問題也等待著大家解決。無論未來是喜是憂，我們都期待這一技術能給我們帶來驚喜。

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