「人造生命體」合成酵母基因新進展：加裝系統讓菌株快速進化

釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)被用於製作麵包和啤酒。Dennis Kunkel Microscopy/Science Photo Library

本文轉載自「澎湃新聞」。

2017年3月10日，國際頂級期刊《科學》（Science）在同一天發表了上述項目的國際研究團隊的7篇專刊論文。截至當時論文發表，16條酵母染色體合成了6條，其中彼時還是清華大學生命科學學院研究員的戴俊彪、天津大學化工學院教授元英進等率領的中國科研團隊完成了工作量的66.7%。

一年之後，這支國際團隊再次推出最新成果。北京時間5月23日凌晨，國際頂級期刊《自然》（Nature）子刊《自然?通訊》（Nature Communications）以專刊形式齊發7篇成果，中英美德四國科研團隊圍繞在人工合成酵母染色體上加裝的SCRaMbLE 系統（Synthetic Chromosome Recombination and Modification by LoxP-Mediated Evolution）及其應用展開了一系列研究。

戴俊彪在接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）採訪時表示，「利用SCRaMbLE 系統，我們可以在短時間內快速地讓合成的酵母染色體發生重新排列，這在傳統基因組進化過程中是需要很多很多年的時間。」

戴俊彪目前是中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所合成基因組學研究中心的領頭人，也是Sc2.0項目的主要負責人之一。他進一步解釋，「現在我們只是針對一條染色體，未來如果整個基因組可以發生類似的基因重組，那兩三天之內就可以發生翻天覆地的各種各樣的重排。」

最新的研究進展還著重驗證了SCRaMbLE 系統在工業應用菌株身上的潛力。實際上，對於工業上常用的酵母菌而言，SCRaMbLE 系統的「威力」在於可以迅速優化它們。或在短短几天時間內，大量的遺傳變異體「池子」就可以被製造出來，研究人員可以按工業生產各取所需。

SCRaMbLE系統

「加裝」SCRaMbLE 系統

酵母菌株迅速進化的「超能力」 來自於SCRaMbLE 系統，然而SCRaMbLE 系統卻不是天然存在的，是研究人員在人工合成酵母染色體時「加裝」進去的。

「實際上，在設計合成染色體的時候，我們在每一個非必需基因的後面都摻入了一個LoxPsym位點，LoxPsym位點能被Cre重組酶識別。LoxPsym位點就相當於是特殊的標籤，Cre重組酶進去之後抓出2個LoxPsym位點就能對對它們進行重組。「

回到Sc2.0項目，這一項目的目標是人工合成整個酵母的基因組。不過，Sc2.0項目目前仍保留了大量野生型基因組的DNA序列，同時只引入了少量新的改變。

其中一個改變就是特定重組位點的插入，即loxPsym位點，位於每個非必需基因終止密碼子下游3bp（鹼基）的位置。類似來源於P1噬菌體的天然LoxP位點，loxPsym位點能通過Cre重組酶促進直接重組。研究證實，SCRaMbLE可以介導長達幾百Kb（千鹼基對）範圍的基因組重排。

戴俊彪解釋，「合成酵母裡面每條染色體上面可能都有幾百個LoxPsym位點，Cre重組酶可以在不同的菌株裡面隨便抓2個進行重組，這就相當於整條染色體在大的菌株群體裡面發生了各種不同的重排過程。」

毫無疑問，相比於傳統繁殖、誘變，甚至現有的遺傳工程等，SCRaMbLE系統下的這項新技可以在短時間內製造大量遺傳變異體的「池子」。

戴俊彪表示，「想要誘導SCRaMbLE，第一合成染色體上要有很多不同的LoxPsym位點分布在不同的位置，第二要誘導表達Cre重組酶。而染色體重排以後會對這條染色體上的基因表達造成一定的影響，所以可以通過這點優化底盤細胞，也就是讓細胞對某一種性狀更適應。」

值得一提的是，SCRaMbLE系統早在2011年就首次發表於《自然》，由Boeke率領的團隊完成研究。在當時的研究中，攜帶部分人工合成染色體（插入43個LoxPsym位點）的菌株在重組酶激活後最終產生了突變菌株，這些突變株在生長率方面表現出了很大的變化。同時還證明了重組僅僅發生在LoxPsym位點。

戴俊彪稱，研究人員將這一系統命名為SCRaMbLE系統，暗示著原基因組被徹底「打亂了」（scramble）。

戴俊彪和英國曼徹斯特大學蔡毅之的合作隊伍還為SCRaMbLE系統設計了一套篩選系統ReSCuES，這套系統被形象地稱為神奇的「進化加速器」。

在細胞內的野生型loxP位點和loxPsym位點具有嚴格的正交性，即不會發生交叉反應，但是都能夠被Cre重組酶識別並介導反應。利用這一特性，研究團隊構建了一個正交性的報告系統ReSCuES，可以從SCRaMbLE後的混亂群體中精確篩選出發生基因組重排的細胞。

此外，英國帝國理工學院Tom Ellis團隊還重點對攜帶了一條完全人工合成染色體（5號染色體）的酵母進行了應用研究。用SCRaMbLE系統改善藥物合成，並使菌株適應另一種替代糖原的代謝。

研究團隊將盤尼西林生物合成途徑放入到酵母中，通過SCRaMbLE系統對合成染色體進行基因重排，最終盤尼西林產量提高了2倍。他們還用SCRaMbLE系統來改進酵母菌株，提高酵母對替代糖原木糖的利用。

如何避免「重組」死亡

不過，這樣徹底「打亂」後爆髮式般的重組帶來的菌株快速進化方式略顯粗暴。

《自然?通訊》此番就酵母合成染色體重排成果還同時發表了一篇評論，評論中即指出，刪除或增強某些基因可能是致命的。戴俊彪也提到這一問題，「如果是單倍體酵母的話，一旦把重要的基因去掉有可能就不能活了。」

在最新的研究中，就SCRaMbLE系統帶來的大量重組或將引發的致死問題也進行了改進設計。

Boeke和他的同事試圖解決這一問題 ，他們將合成染色體和野生型染色體混合。戴俊彪介紹，「之前所有的文章在做基因重排的時候，都是基於釀酒酵母的單倍體菌株，所謂的單倍體就是它只有一套染色體，從1號到16號。」

Boeke等人在一條是合成型、另一條是野生型的異源二倍體菌株裡面去誘導SCRaMbLE重排。「這個好處就是因為有野生型染色體的存在，即使另一條合成染色體發生了很大的重組，很多細胞還是可以存活的。」

研究證明，二倍體的「後代」比單倍體菌株生命力更「頑強」。例如，在42攝氏度的條件下，酵母仍然能生長，在高咖啡因水平暴露中也能繼續存活。

人類基因組合成還有多遠

據戴俊彪介紹， Sc2.0項目需要完成的16條酵母染色體的合成目前完成了90%左右。「我們希望到2018年年底把所有的片段都能合成完。」

然而，Boeke等人更宏偉的另一項計劃、早在2016年6月就宣布啟動的 「人類基因組編寫計劃」（ GP-write）進展又如何？這一計劃意味著「人造生命體」最終觸及人類。

據《科學》官網5月1日報道，需要籌資1億美元的GP-write項目因目標過於宏大受到爭議而得不到任何資金支持。Boeke等發起者們迫於壓力不得不優先提出一個「縮減版」項目：合成防病毒感染的人類細胞。

戴俊彪積極推動的「國際基因組編寫計劃?中國」（ GP-write China）也已於2017年12月2日在深圳正式啟動。

針對GP-write項目的可行性，戴俊彪表示，「我覺得GP-write很重要，但是現在很難拿出一個很現實的方案去執行。」在戴俊彪看來，合成整個人類基因組不僅僅是單純為了合成而合成，「這只是證明合成和原來一樣的基因組的能力。」

既然如此，下一個問題就是引入設計。「意味著你要放入一個什麼樣的設計在裡面？這是整個GP-write項目一直在探討的，你希望人類基因組裡面的設計原則是什麼，你希望改變什麼？」

除了設計之外，技術是GP-write項目的另一項挑戰。「我們現在的技術水平去實現30億個鹼基對是很難的，甚至包括把一個大的片段DNA放進一個人類細胞裡面去也是很困難的。」戴俊彪提到。

當然資金問題也的確存在。戴俊彪表示，「雖然合成成本在不斷下降，但乘上30億以後也是非常大的數字。我們能不能發展出一套新的合成技術，把基因合成的成本降2個數量級甚至3個數量級？那我們就可以真正去做這些事情了。」目前，在大量合成情況下，合成成本基本在每個鹼基需要5美分-8美分。

戴俊彪強調，「整個GP-write是一個大的目標，我們希望藉助這樣一個大的目標去推動其他事物，比如提高設計、提高技術，這才是它最大的貢獻。」

至於GP-write China，戴俊彪提到，「我們現在正在確定到底該怎麼樣去做，是不是直接去做人類的，還是去做其他生物的。我們希望有一個適合中國這樣一個大研究背景下的基因組設計。」

就目前研究的酵母染色體合成工作而言，戴俊彪表示，「後續我們實驗室希望能對釀酒酵母的基因組有一個更深層次的設計，現在Sc2.0做的研究僅僅是基於野生型做了一些小的修改」戴俊彪提到，Sc2.0目前對整個基因組的結構、基因排列的順序、基因的位置，以及基因的調控元件等並沒有做任何變化。

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