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中国实现合成生物学里程碑式突破
添加时间: 2018-8-3 13:18:20 来源: 作者: 点击数:311

原标题:世界首例人造单染色体真核细胞,“诞生”在上海!中国实现合成生物学里程碑式突破

图说:覃重军研究员在观察单染色体酵母的生长情况 来源/杨正行摄

新民晚报讯(记者 董纯蕾 实习生 冯琪)中国,不仅是酵母最可能的“故乡”,而且已成为“人造最简约酵母”的发明地。 世界首例人造单染色体真核细胞——只拥有一条染色体的酵母,“诞生”在上海!这是人类首次通过实验手段系统改造一个物种的染色体数目。成功创建了这一奇妙的“人造生命”,意味着中国实现了合成生物学的里程碑式突破!

记者今天上午从中科院在上海举办的新闻发布会上获悉,中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室覃重军研究团队与合作者,在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞,该成果于北京时间今天凌晨在国际著名学术期刊《自然》(Nature)在线发表。这一成果完全由中国科学家独立完成,打破了教科书中原核生物与真核生物的界限,让人类了解到生命形式也可以通过人工改造化繁为简,同时为进一步研究人类细胞衰老提供了良好的模型。

图说:人造单染色体酵母与天然酵母细胞对比图,两者形态相似,但染色体的三维结构有巨大改变 中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所供图

人类能否创造生命? 2010年,美国科学家J. Craig Venter和他的科研团队在《科学》(Science)报道了世界上首个“人造生命”——含有全人工化学合成的与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体,引起了轰动。此次,中国科学家实现突破的是比原核生物更高等的真核生物的“人造”。以覃重军研究组为主的中国研究团队,成功地将单细胞真核生物酿酒酵母天然的十六条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。这意味着,天然复杂的生命体系可以通过人工干预变得简约,自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。

生物学教科书中将自然界存在的生命体分为:具有被核膜包裹染色体细胞核的真核生物和染色体裸露无核膜包裹的原核生物。众所周知,染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息。真核生物通常含有线型结构的多条染色体,而原核生物通常含有环型结构的一条染色体。

图说:覃重军研究员与他的两千多页实验手稿 杨正行摄

图说:覃重军研究员的实验手稿及经常阅读的书籍 杨正行摄

覃重军研究员大胆地假设真核生物也能像原核生物一样,用一条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能。在“大胆猜想”之后,他与薛小莉副研究员“工程化精准设计”了定制人造单染色体酵母的指导原则以及理性分析、实验设计、工程化推进的总体方案。博士生邵洋洋从2013年开始尝试并发展高效的染色体操作方法。历经4年时间,通过15轮的染色体融合,最终成功创建了只有一条线型染色体的酿酒酵母菌株SY14。

此后,覃重军研究组进一步与合成生物学重点实验室赵国屏院士研究组、中科院生物化学与细胞生物学研究所周金秋研究员研究组、武汉菲沙基因信息有限公司及军事医学科学院赵志虎研究员等团队合作,深入鉴定SY14的代谢、生理和繁殖功能及其染色体的三维结构。研究发现,虽然人工创建的单条线型染色体的三维结构发生了巨大变化,但SY14酵母具有正常的细胞功能,并未因为染色体数量的简化而失能。这也就颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念,揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。

图说:覃重军(中)研究员正在指导学生做实验 杨正行摄

该研究成果是通过经典分子生物学“假设驱动”与合成生物学“工程化研究模式”来探索解析生命起源与进化中重大基础科学问题的一个新范例。对天然复杂的酵母染色体实施人工改造,赋予其全新的简约化形式,这是继原核细菌“人造生命”之后的一个重大突破。单染色体酵母的“诞生”,连同我国科学家参与的酵母染色体全人工合成工作,是继上世纪六十年代人工合成结晶牛胰岛素和tRNA之后,中国学者再一次利用合成科学策略,回答生命科学领域一个重大的基础问题,即建立原核生物与真核生物之间基因组进化的桥梁,为人类对生命本质的研究开辟了新方向。

最后,我们来认识一下此项里程碑式合成生物学研究的另一“主角”——酿酒酵母。“最简约酵母”的“诞生”,对人类又有何具有实用意义的借鉴呢?覃重军表示,人造单染色体酵母没有添加任何其他物质,和天然酵母一样可以食用。酿酒酵母不仅是日常生活的好伙伴,而且是研究染色体异常的重要模型,酿酒酵母1/3基因与具有23对染色体的人类基因同源。线型染色体末端有一个重要的保护结构——端粒。随着细胞分裂次数的增加,端粒的长度逐渐缩短,当端粒变得不能再短时,细胞就会死亡。人类的过早衰老与染色体的端粒长度直接相关。此外,端粒的缩短还与许多疾病相关,包括基因突变,肿瘤形成等。与天然酵母的32个端粒相比,覃重军研究团队人工创造的单条线型染色体仅有2个端粒,为研究人类端粒功能及细胞衰老,检验药物功能,提供了很好的模型。

图说:覃重军(左二)研究团队正在分析人造酵母菌株的脉冲场凝胶电泳验证图 杨正行摄

“不过,融合染色体菌株确实表现出小的适应性限制和有性生殖限制,这些发现或许有助于解释生物具有较多染色体的优势。”覃重军相信,未来通过对这一版人造单染色体酵母的改进,还能进一步提升性能。

有意思的是,由于在全球各地的食物和饮料发酵过程中的广泛使用,酵母可说是人类文明史的重要参与者与见证者。然而,酵母的多样性与演化史,对人类而言仍有许多待解之谜。不少科学家认为,酵母最有可能起源于中国。同样是在《自然》杂志,今年早些时候,来自法国的科学家团队发表研究结果,通过大规模的基因组测序结果,支持“酵母中国起源说”。而在今天在线出版的《自然》上,与覃重军团队研究成果“背靠背”发表的,是纽约大学朗格尼医学中心Jef Boeke教授团队创建的含有2条染色体的酿酒酵母。中美两支科学家团队的同主题研究工作,各自独立,来自中国的“人造酵母”更简约

 
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