首例人造單染色體真核細胞誕生，中國科學家談如何衝擊世界難題

2018 年 8 月，中國科學家在 Nature 雜誌上在線發表了一項重要成果：首次人工創建了單條染色體的真核細胞（自然界，真核生物都是多個染色體），一個全新的、自然界不存在的生命由此誕生。這一成果也被認為是繼人工合成結晶牛胰島素之後，中國科學家在合成生物學領域取得的又一重大突破。

實現這一成績的是中科院分子植物卓越中心／植生生態所合成生物學重點實驗室覃重軍團隊。他帶領團隊以釀酒酵母為實驗對象，採用工程化精準設計方法，使用 CRISPR-Cas9 基因編輯技術對釀酒酵母 16 條染色體的全基因組進行了大規模修剪、重新排列，最終「創造」了將幾乎所有遺傳信息融合進 1 條超長線型染色體的酵母細胞。

更為奇妙的是，最終的結果表明，雖然團隊對酵母的染色體動了「大手術」，但「全新版」酵母細胞的生長、功能和基因表達均與天然酵母相似。

（來源：Nature）

在 11 月 4 日的騰訊 WE 未來大會上，領導這次研究成果的植物生理生態學權威專家、中科院上海植物生理生態研究所合成生物學重點實驗室主任覃重軍也來到現場，分享了其在創造新人造生命體的過程中一些精彩的細節和感悟。

他表示，當年中國合成胰島素人力達 200 多人，多家單位進行了合作，但他的這個團隊人很少，就是因為覃重軍相信，他們的猜測很接近真實的自然規律，因此可以確定很多事情，而不需要再去多走彎路。而貫穿他整個研究過程的一個「初心」則是衝擊世界難題，而非簡單地發文章。

圖丨覃重軍（來源：騰訊）

以下為覃重軍演講全文（經過基於原意的刪改）：

我在 8 月份發表在《自然》雜誌上的人造單染色體真核生物，用老百姓通俗的話說，就是人造生命體。這個故事本身是從哪裡來的呢？是我在大概 1995 年的時候去美國斯坦福大學，很榮幸我的老師是基因工程的創始人 Stanley Cohen.

我在讀書的時候就知道他做出一項歷史性的貢獻，就是發明重組 DNA，就是我們所說的基因工程的創始人。當時我就跟他說，未來如果我能發明基因組工程技術就好了，能夠在歷史上留名。但是那個時候只是想法，我不知道是哪一天能做到，大概 20 年過去了，終於有機會實現這個夢想了，我覺得人生很欣慰。

（來源：DT 君）

當時的這一個夢想至少是實現了，所以我感謝我的老師給我當時的啟迪，鼓勵我去衝擊世界難題。我回到國內在上海生命科學院工作，在讀書的時候就知道，中國科學家在生命科學領域裡有一些標誌性的成果，比如我們大家所熟知的人工合成結晶胰島素，是由上海生化所還有很多的單位，由 200 多人合作做出來的。

中國半個世紀之前領先世界的成果，是隨後又一個大合作，做出來酵母核糖核酸的合成。去年大家也知道中國又一個合成的成果出來了，人造釀酒酵母的染色體，中國合成了其中的四條。釀酒酵母我後面還會提到，它有 16 條染色體，但是這個計劃的組織者、就是說設計師，是來自於紐約大學的 Jef Boeke 美國科學院院士，我後面還會提到他，他領導的這個項目。但是中國人很勤奮，率先完成了 4 篇論文，也是標誌性成果。

那個時候我在心裡想，上海這片土地上莫非還可再合成一個什麼東西出來？就是這些土地適合去合成各種生命體系，再往前一步，除了蛋白、核糖核酸、染色體之外，接下來這些所有的成果集中在一起，能不能造一個生命體出來？當然這個挑戰很大。

但是，我覺得時代變了，我們可以做到、中國可以做到！

（來源：DT 君）

我先講一下，我們自然界發現的生物，大概也就分成兩大類：

第一大類就是我們所知道的細菌原核生物。原核生物是在顯微鏡下才能看見的，它有一條染色體，原核生物的生長與繁殖相關所有的遺傳信息，都集中在這一條染色體上。

另一大類跨度很大，從人類、動物、植物、真菌、酵母，都屬於另一大類的生物：真核生物。

當我們比較原核生物和真核生物的時候，染色體數目原核一般是一條，真核有很多條。染色體的構型，原核生物是環形的，真核生物是線形的，這是它們自己的界限。

我們人能不能在人造生命中打破這種自然界限呢？我想肯定可以。如果人只是一切都聽從自然的話，那人類的智慧就不夠了；如果人類的智慧足夠夠的話，可以打破這種自然的界限，也同樣可以造出新生命，也是沒有問題，我相信能夠做到這一點。

回到前面一點，如果我們回答跟人最相關的問題：能不能造一個真核生物，只有一條染色體，但是所有的生長、繁殖、遺傳信息全都在這一條染色體上？這個生命也是活的，而且活得很好；但你的生命要是死了，那就是人造的大失敗。

（來源：DT 君）

我每天散步都在想，我該用什麼材料。首先你能不能做成這個，毫無疑問，要用模式材料，最簡單的生物，比較釀酒酵母。我在 2013 年 5 月 8 號那天，在園子里散步想到了一個想法，回到了辦公室寫下了這樣一張圖，從酵母菌的 16 條染色體開始。因為釀酒酵母雖然屬於低等的真核生物，它竟然有 16 對染色體，我心想自然絕對是隨意的，在這一瞬間。應該來說我們可以把它變成一條染色體，先變成一條線性，還是屬於真核，我後面又把它變成環，像原核一樣，徹底打破這個界限。那一天的日子我清楚地記得，所以這裡是可以講故事的，因為我還是有寫的習慣。

為什麼做釀酒酵母呢？因為要選擇有重大意義的、基礎上研究最透徹的。釀酒酵母毫無疑問是一個單細胞模式的真核生物，它研究得非常透徹；它還有很重要的應用價值，我們大家可以看到，在顯微鏡下雖然看得很小，但是我們喝的啤酒、紅酒、麵包都是釀酒酵母的功勞，所以它是可以吃的。這樣一個材料，我覺得可以很好地幫助我實現想法。

另外，還得發明高效的技術，因為你把兩個染色體融合在一起，天然也有融合在一起的，天然融合的話會發生基因組不穩定，會斷裂重組，這樣你在融合當中一定要同時敲除掉兩個端粒和一個著絲粒，必須同時完成。

（來源：DT 君）

很幸運的是，2013 年我想到這個想法，沒多久國際上就有一個很著名的技術——基因編輯技術（CRISPR/Cas9）出現了，它可以同時切幾個點，非常精確，所以使得我們就可以執行了。我們就每一步每一步地去做，帶著工匠精神，每一步都去嚴格驗證，最後大概用了一年半的時間就做成了。16 條染色體的構型就是中間只有一個著絲粒，我們大概放在中間，兩邊有兩個端粒。

很吃驚的是，當我們造出了這個生物，我們去描述它的時候發現，它的細胞生長和細胞形態跟天然的幾乎是一樣的，這個太吃驚了，我們以為它幾乎不會活，沒想到活得挺好的。

但是它的染色體的結構就發生了巨大的變化，它的 16 條染色體上面顯示，它組織得很好，就像我們人說的生命真的很偉大，它組織得很好。

你看我們底下人造的一條染色體，似乎很混亂。但它竟然沒有問題，這給我一個暗示：生命真的有多種表現形式，全都是正確的，所以不只有一種形式。

（來源：DT 君）

我簡單總結，這個故事的起源一定是大膽的猜想，但猜完之後接下來就不能大膽了，一定要確定理性設計的原則，每一個原則我都仔細地想，是不是可以這樣、是不是應該這樣。

有些沒有文獻的話，我就得做預實驗，一定把這些原則確定好了，有關鍵技術。所以我們說核心技術很重要，當然這項核心技術在國際上已經建立了，我們只是借用在釀酒酵母里。

最後一項，精確化的、工程化的實施。我們在電視上經常看到大國的工匠精神，做成這件事情一定要有工匠精神。這一年半的時間裡面，學生的每一個細節我都要掌握，我不能讓他出一點錯。因為錯了的話，整個大廈就會垮掉。所以做成這件事情我有四點體會。

（來源：DT 君）

很奇葩的就是，我從來沒有做過釀酒酵母，但是我為他們這個領域裡提供了一大堆很好的材料，就是從 16 個變 1 個，這些材料因為我們每一步真的都是精心地去驗證了的，是沒有問題的。

所以，原來人們在天然的酵母裡面去做實驗，太複雜了。我們有一系列簡化的東西的話，這樣一些材料可以為這個領域裡面重新研究染色體怎麼進化的、染色體怎麼複製的、染色體的端粒生物學，原來很多的東西的統計值現在很精確了。

另外，前幾年有諾貝爾獎獲得者發現，端粒衰老導致人類過早死亡。在人的細胞裡面如果人為給端粒加長，人類的細胞可以重返青春。人有 23 對染色體，我想我自己構建的單染色體只有兩個端粒，很清楚地就知道到底哪一個葯有用，哪一個葯沒用。

（來源：DT 君）

因為，我做環形染色體的話，有一個目的是對人類是否有用。因為人類天然也有很多環形染色體，單個的染色體環化，比如說這裡面顯示出 15 號，還有 X 在這裡環化，這個人就會出現很多的疾病，人類不知道怎麼樣解決，我想我一樣可以用釀酒酵母的環形染色體模型去探索解決疾病的新路。

所以，這樣子我就有動力了，不光是簡單地發文章。

（來源：DT 君）

前面我說到我們中國合成胰島素用了 200 多人，這麼多單位合作，當然我這個團隊人很少，就是因為我相信當你猜自然規律猜得很正確的時候，你不需要很多人，就是說一兩個人就夠了，因為你是正確的，你不去走彎路，你可以確定很多事情。自然實際上是很簡單的，如果你真猜出來它的規律的話。

我負責整個項目的設計，還有技術突破，還有這些大的原則的掌握。我的工作人員薛小莉，所有的細節都是她去管的，一點點查得很清楚。真正做實驗的只有一個研究生為主，他從頭做到尾，每一步我要檢測，後面有一個學生幫助他。真的就這麼幾個人干成這麼一件偉業，所以我真的是很欣慰。

（來源：DT 君）

當然，我從來沒有做過釀酒酵母，所以我還跟專業人士合作，比如說上海生化所的周金秋老師，他就是專門做釀酒酵母的。另外我們還跟公司的很多做染色體結構的合作，這都是我不在行的，所以我利用了很多不同的優勢來解決這樣的問題。

最後我一定要提一點，有人問這幾年沒看到你的報告，沒看到你的動態，你到底在幹什麼呢？我在忙這個事兒。

在我讀大學研究生的時候我就知道，有些歷史偉人的經歷非常獨特，比如說牛頓研究出牛頓力學的規律，發現萬有引力定律，他全是在大學畢業以後躲在鄉村裡，兩年多的時間在躲避瘟疫想出來的，沒有跟任何人接觸。

（來源：DT 君）

生物學也是一樣，我比較崇拜的兩個生物學家，這是在辦公室我自己拍的圖片，我每天就看著這兩個人，前輩們激勵我去衝擊世界難題，而不是簡單發發文章。

一個是專業的巴斯德，他成天關在地下室里，也不跟人交流，就能做出一系列的發現。達爾文也很奇葩，坐著一條船環遊世界，當然不是玩兒，他是科考調查，5 年後進化論幾乎所有的東西都在那個時候產生。我心想，400 年前、200 年前、100 年前，別人能做到這個，我們現在還行嗎？這 5 年我也幹了這個事兒，每天就是散步、思考、寫作，都是想大的東西，不想小的東西。

如果你想做偉大的成績，應該跟偉大的人，向他們學習，讀他們的東西，看他們的東西，實際上幾百年實現的東西，現在依然可以實現。

所以我要分享這個故事給大家。我們的科學家本來只做報告，但是我願意把這樣的經歷分享給大家，我希望未來中國也會出現這種歷史偉人的成績，而不是簡單地發發文章，我這一生應該能夠看到這一天。

（來源：DT 君）

最後，我們大家都知道偉人經常有名人名言，我也學著說一句。我每天要做的事就是靠想像打開未來的一扇扇大門，第二天冷靜下來選擇其中正確的一扇。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！