中國科學家近日利用化學物質設計并合成了4條酵母人工染色體，國際頂級學術期刊《科學》3月10日以封面文章形式重磅推出一組相關論文，《科學》編輯評價這項研究是“里程碑式的成就，會給生命科學領域帶來廣泛而深遠的影響”。

這項突破為何引起科學界的矚目？中國在相關領域的研究處于什么位置？人類真的可以創造生命了嗎？本報記者采訪相關科研人員作出解讀。

 

基因組合成是“編寫生命密碼”

 

來自天津大學、清華大學和深圳華大基因研究院的研究人員介紹，這項研究利用小分子核苷酸精準合成了活體真核染色體，得到的酵母基因組有著高度活性。同時，合成的染色體經過精致的人工設計：刪除了研究者認為無用的DNA，總體長度比天然染色體縮減8%。

“人工合成染色體的價值，在于實現對基因的操控。”天津大學化工學院教授元英進說，如果合成的染色體與所取代的天然染色體完全相同，僅僅是“知其然”，但重新設計了染色體并確保細胞活性，說明研究人員已經“知其所以然”。

2010年，美國科學家首次將人工合成的基因組植入一個原核細菌，開啟了化學合成生命的研究大門。不過，包括動物、植物和真菌在內的真核生物，其染色體更加復雜，設計與合成的難度也更高。

元英進說，此次研究解決了合成單細胞真核生物的基本科學問題，為未來設計、構建復雜的真核生物細胞提供了更多知識儲備。

中國科學院院士楊煥明介紹，在掌握了基因序列的秘密之后，研究人員還要通過對染色體的設計、構建、測試一系列過程，來驗證和修正對基因的認識。

“如果說基因測序是‘讀懂生命密碼’，基因合成就是在‘編寫生命密碼’，從讀到寫，是一個巨大飛躍。”楊煥明說。

中國在該領域僅次于美國

酵母人工基因組設計合成（Sc2.0）是一個國際合作計劃，由美、中等多國科學家共同發起，我國承擔了其中近40%的工作。在已完成的6條染色體的人工設計與合成中，我國科學家完成了4條，占三分之二。

“Sc2.0計劃的實施是基因組編寫計劃的重要基礎。”元英進說。他是該計劃的國際倡導者及中國最早參與者。

同時，完成這些工作是我國在合成生物學領域取得的突破性成果，進一步奠定了我國在這一領域的國際地位。事實上，此次研究突破之后，我國成為了繼美國之后第二個具備真核基因組設計與構建能力的國家。

楊煥明曾參與2000年的人類基因組測序計劃，在那個計劃中，中國承擔了1%的測序任務。“我們原來只是認識自然，現在開始重新設計自然，當然目前只是根據自然規律重新設計一部分。”楊煥明說。

華大基因研究院合成生物學項目負責人沈玥說，我國科研人員的貢獻率高，同時自主開發了一系列技術方法為研究提速，充分說明在基因組設計合成領域，中國已經進入世界領先水平。

 

從治療癲癇到除霾

有望解決人類面臨的各種難題

 

作為真核生物的重要模式生物，化學合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的特性，另一方面，化學合成酵母通過基因組重排系統，可以快速進化得到在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域有重要應用潛力的菌株。

清華大學生命科學學院研究員戴俊彪介紹，掌握了基因組合成技術，意味著對生命本質已經具備非常深入的認識，對于未來的基因診療、生物改造甚至創造新的生命形式有著開創意義。

“能夠為癲癇、癌癥、智力發育遲緩和衰老等人類面臨的醫學難題提供研究與治療模型。”元英進舉例說，利用酵母菌細胞可以研究染色體異常，如果找到并修復細胞的失活點，有望治療因染色體異常而導致的發育異常。

此外，釀酒酵母本身有著巨大的工業開發潛力。沈玥介紹，應用生物技術，釀酒酵母理論上可以合成人類賴以生存的一切有機物。比如，用酵母菌合成青蒿素已經產業化，成本遠低于傳統的植物提取。但由于釀酒酵母比較脆弱，對環境的要求嚴苛，其應用范圍一直受限。

楊煥明認為，當科學家完全掌握設計、合成釀酒酵母染色體的技術后，可以更便捷地改進釀酒酵母適應環境的能力，讓發酵罐生產出更多樣化、成本更低廉的食物和能源等等。

“試想有一種細菌，能把垃圾快速分解，或者把霾全部吸收。”清華大學生命科學學院研究員戴俊彪說，科學家希望利用基因合成技術，解決污染、能源短缺等人類面臨的難題。對釀酒酵母染色體加入更多設計，能幫助研究人員理解更多的生物學問題。

在國外，相關技術已經成為綠色生物制造產業高速發展的引擎。據了解，美國杜邦公司構建了合成重大化工產品的人工細胞工廠，并成功實現了產業化，該技術可將能耗和溫室氣體排放均降低40%。

 

復制猛犸象？

離“創造生命”還有很長的路

 

在真核生物基因組合成取得重大突破的同時，以美國為主的科學家已經把目標瞄準人類基因組的合成。2016年6月《科學》曾發布“人類基因組編寫計劃”，在全球范圍內引發關注和熱議。

“該計劃的實施將進一步加深對生物進化和生命本質理解，或對人類社會演化軌跡具有顛覆性作用。”元英進說。

元英進說，通過此次研究，把非生命的化學物質組裝成染色體，找到導致細胞致死、細胞失活、生長缺陷的各項關鍵要素，未來有望實現人工設計與合成的突破。

不過，科研人員也表示，人類基因組遠比酵母基因組復雜，目前雖然完成了測序，但實際上仍存在大量認知空白。重新“編寫”的困難，或許不亞于讓石器時代的原始人譜寫一曲交響樂。

更難的還有“無中生有”地創造生命。雖然此次人工合成的釀酒酵母染色體有著精巧設計，它們仍然是天然染色體的模仿品。“我們對生命的了解還遠遠不夠，還做不到‘無中生有’。”戴俊彪說。

戴俊彪將之比作“二手房裝修”：風格可以有很大變化，但還是原來的房間，并非從零開始蓋房。

另外，科學家目前著力于設計和建構染色體，之后將人工合成的染色體植入原有的天然細胞中。“如果細胞不匹配，就好比拖拉機發動機安裝在小轎車上。”戴俊彪說，若要重新設計、建構整個細胞，還有非常漫長的一段路要走。

“這就意味著復制猛犸象的可能性目前微乎其微，因為即便我們能重新編寫猛犸象的基因組，我們也還找不到可以匹配的細胞。”戴俊彪說。

 

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我國科學家“編寫生命密碼”意味著什么？

圖文簡介

中國科學家近日利用化學物質設計并合成了4條酵母人工染色體。