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    全球两百名科学家历时5年,真核生命体人工合成取得里程碑式突破

    2017年3月11日 来源: DeepTech深科技

    3 月 10 日,《科学》杂志发表了 7 篇文章介绍了世界上首个人工合成真核生命体在制造过程中所取得的阶段性成果——在国际科学家的合作下,完成了人工合成酵母基因 16 条染色体中的 5 条。更为关键的是,其中的 4 条基因合成任务是由中国科学家完成的。

    参与合成酵母基因计划的中国科学家代表,自左至右依次为:李炳志、戴俊彪、杨焕明、元英进、沈玥

    众所周知,在生物领域原核生物真核生物是划分物种的重要指标之一,二者的区别就在于遗传物质的复杂程度相差极大。基因工程中最常用的原核生物细菌的 DNA 大约有 400 万个碱基对(碱基对是构成DNA的最基本单元,共有四种:腺嘌呤—胸腺嘧啶;胞嘧啶—鸟嘌呤)。过去的研究技术已经可以成功合成细菌基因组了。

    但对比之下,以动植物为代表的真核生物的DNA就非常复杂了。以此次研究的酵母为例,大约有1200万碱基对真菌、动物、植物等的就更多了,通常会包含数亿至甚至数十亿碱基对信息。所以,要想最终实现对高级生物的基因合成,就要先从单细胞的真核生物酵母入手。

    如上图所示,科学家们正在试图利用完全人工合成的DNA来创造酵母细胞

    所以,一项名为酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0计划)的研究项目于 2012 年由美国科学院院士杰夫·伯克发起,美国、中国(天津大学、清华大学和深圳华大基因研究院)、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国 10 所研究机构的 200 名科学家参与并分工协作,旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体。

    这件事情的价值还在于,一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题。截至目前,整个科研团队对酵母的了解已经有了巨大的进步,包括什么基因是维持酵母生命所必要的,什么基因是酵母膨胀所必需的。研究人员从多次的试验和错误中学到了很多:对遗传密码的细微改造已经可以决定细胞是死还是活。

    另一方面,更为重要的价值在于,可以加速酵母的进一步基因工程化的应用。通过对酵母的重新合成,实际上是可以培养出不同用途的各类型酵母,例如,一些可将糖转化成酒精的酵母可用于生产生物燃料或酒水,而有一些酵母则可以用于分解某些蛋白质。加速应用的过程可以使医药、能源、环境、农业、工业等各个领域都得到相符合的酵母。

    然而,整个酵母基因合成的过程其实也并非纯粹的“凭空造物”。该项目科学论文的第一作者、合成生物学家Sarah Richardson表示:“我们并没有违背自然界的规律,编写酵母基因组更像是一种驯化行为,而非创造活动——就如同人类并没有创造出狗,而只是把狼驯化成了狗一样的道理。”

    对于这一观点,整个团队的看法相对一致,纽约大学Langone医学中心的Jef Boeke解释说:“我们现在所做的事情本质上就是加速酵母的进化。”

    Jef Boeke

    实际上,在过往的生物实验中,生物学家们已经有了很多基因工程工具可供使用。比如,CRISPR / Cas9基因编辑技术可以允许生物学家完美的“减掉”一段基因并用另一段基因来替换,而DNA重组技术则可以“哄骗“细菌来生产人胰岛素,从而用于糖尿病患者的治疗。

    相比之下,酵母项目要做的则是对整个遗传组的重新编写和合成。所以,操作难度也可想而知。这里DT君将基因合成的完整的5个步骤做一下描述:

    1. 在电脑上设计染色体

    由于科学家编辑的是目前存在的基因组,而不是凭空捏造一个出来。所以,他们以电脑上酵母染色体的测序信息为基础,做出小小改动。大多数改动都是致力于让基因更加抗突变。这样的话,科学家做的改动在未来才不会轻易地消失。

    基因突变

    在这一过程中,科学家除了要提防DNA中不携带任何遗传密码的填充区域,还要费尽心思找出那些酵母存活所必须的基因。“在它们身上动手你不得不小心行事”,Richardson说。

    2. 确保设计的可行性

    一个建筑师可以天马行空地画出她想象中最美的建筑,但如果工程师说这没法建造,那就没戏了。DNA设计也十分类似。染色体必须由DNA小片段组装而成,而且这些片段还必须在特定位置进行粘合。但是,有时某些DNA片段在组装过程中就是没法粘合。

    3.制造DNA

    16个酵母染色体中的每一个都包含100,000个DNA的碱基对。但现在,还没有DNA “打印机” 能够完美地稳定产出那么多碱基对。所以,科学家不得不分块制造DNA,每次60到100个碱基对。“每个片段都要分别合成,并与我们的设计进行比对,以确保万无一失,” Richardson说。

    实验室工作人员能够通过组装大约十个这样的基因块来制造含600个碱基对的DNA碎片,然后,他们再把这些大碎片粘合起来,循环往复,直到造出10000个碱基对的基因链。

    4. 将原始染色体置换为人工合成染色体

    在安全性经过严格检查的情况下,新的合成染色体被一块一块地插入,而不是同时插入——这是个非常辛苦的过程。如果期间有哪个基因片段有误导致整个细胞死掉,他们就知道那段遗传密码有问题了。

    5. 把所有人工合成染色体封装进一个酵母细胞

    之前的四个步骤只是制造一个染色体的工序,而酵母共有16个染色体。在合成之前,这16个染色体会各自分布在不同的酵母菌株中。

    接下来会进行一个很麻烦的操作,科学家需要让酵母菌株进行交配繁殖,这样所有的16个染色体(加上一个额外的全新染色体),才能全部进入到同一个细胞中去。

    但这并不一定意味着创造了一个全新的物种——酵母2.0从外表和运作机制上都跟普通酵母细胞并无二致。

    酵母细胞

    总之,科学家反复在强调,他们并不是在无中生有的创造生命。“我们并不是从一堆没有生命的化学物质开始,混合一下然后突然就跳出来生命了,”Boeke说。“我们是从一个有生命的细胞开始,去置换里面的DNA。”

    但科学家做的这件事依旧令人着迷——他们不是在创造生命,他们是在美化生命。

    这只是开始?更加惊人的人类基因合成

    尽管酵母基因组合成计划的最终目标还没有彻底完成,但一个更加雄心勃勃“基因组计划”已经被反复讨论了。它的目标是合成更高级形态的植物或动物的基因组,甚至人类的基因组也被考虑在内。

    但这项计划还没启动就已经引起了众多生物学家、环保主义者和伦理学家的担心,他们说,这样的想法是不切实际的,而且还牵涉到十分棘手的伦理道德问题——尤其是一旦基因合成后的生物进入自然界,可能会带来意想不到的损害。

    对此,北卡罗来纳州立大学基因工程和社会中心的高级研究员Todd Kuiken表示:“这十分类似于眼下的物种入侵。”

    物种入侵

    更有甚者还认为,恐怖分子会利用这一技术制造出危害极大的生物武器。所以Boeke说,酵母项目目前也采取了谨慎入微的保障措施和严格的审查制度。但他承认,最终合成人类基因组仍是一个大概率事件。

    “当前人们最大的担心就是我们会在哪一天突然“造”出一个人来。”Boeke说,“而我们也非常坚持,我们的技术只应该应用在与疾病治疗有关的的细胞工程上面,不应该试图真的创造出一个活生生的生物出来。”

    此外,单纯从技术的角度来讲,加利福尼亚州拉霍亚合成基因组学的科学家Daniel Gibson也持保留态度。他对《麻省理工科技评论》表示,负责酵母项目的团队所使用的技术还不够先进,这样的技术是无法人工合成人类基因组的。

    同时,庞大的花费也没有被考虑在内,仅仅是合成这些酵母基因组将花费约125万美元(还没有考虑昂贵的人力成本),以此类推,合成人类的DNA大概要花费大约3亿美元。

    更关键的是,酵母项目的团队显然还低估了环境对于人工合成生物的潜在影响——自然界与实验室可是两个世界。Daniel Gibson说:“创造这些生物的目的就是让它们在实验室环境中生长。”

    Daniel Gibson

    所以,就目前的情况而言,人工合成的人类染色体在未来主要还是会在基因治疗中发挥重要的作用,例如,用一个小型的人工染色体替换掉人体内某个有缺陷的的单个基因。哈佛大学的生物工程师Pamela Silver对《麻省理工科技评论》表示,有朝一日科学家们可以实现轻松地设计和构建染色体,而不是像现在这样需要一支庞大的科研队伍。

    就当下而言,考虑合成人类的基因还为时过早,即便这一天会到,那应该也是很久以后的事情了。

    反而,更加注重现在的基因合成技术要来的实际一些。恰如Silver所说:“无论合成什么,一个技术的飞跃都是很有必要的,这样才可以使得它发展的更快更好。”

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    李育鹏2017/3/15 19:19

    照着这样下去,说不定哪天知识就可以遗传了,过目不忘也不算什么了!

    对面说再见2017/3/14 18:46

    就算是制造出一个新的物种又有什么错?!我觉得很好!

    我爱19362017/3/11 20:35

    感谢咳血家再一次加速了人类灭亡的过程

    一无所有就是拼的理由2017/3/11 20:31

    这说明人类完全有可能,是由别的高级生命创造出来的,而可能不是进化来的!

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