中國“編寫生命密碼”將如何改變未來？

陳芳+董瑞豐

生命可以設(shè)計(jì)和再造嗎？我國科學(xué)家利用化學(xué)物質(zhì)合成了4條人工設(shè)計(jì)的釀酒酵母染色體，標(biāo)志著人類向“再造生命”又邁進(jìn)了一大步，也標(biāo)志著我國成為繼美國之后第二個(gè)具備真核基因組設(shè)計(jì)與構(gòu)建能力的國家。

釀酒酵母是生物遺傳學(xué)研究的一個(gè)重要模式生物。以合成型釀酒酵母染色體為研究對象，可以加快在基因組重排、環(huán)形染色體進(jìn)化領(lǐng)域的研究進(jìn)度，為人類環(huán)形染色體疾病、癌癥和衰老等提供研究與治療模型。

2012年，天津大學(xué)、清華大學(xué)、深圳華大基因研究院與美國等國家的科研機(jī)構(gòu)共同推動了酵母基因組合成國際計(jì)劃（Sc2.0），旨在對釀酒酵母基因組進(jìn)行人工重新設(shè)計(jì)和化學(xué)再造。我國科學(xué)家此次成功合成的4條釀酒酵母染色體占Sc2.0計(jì)劃已經(jīng)合成染色體的2/3。這一重大突破的背后，無不體現(xiàn)出中國科學(xué)家的辛勤與汗水，也意味著非生命物質(zhì)與生命之間的界限已經(jīng)打開，“設(shè)計(jì)生命、再造生命和重塑生命”的進(jìn)程將隨之提速。

從“讀”到“寫”：生命認(rèn)識的巨大飛躍

來自天津大學(xué)、清華大學(xué)和深圳華大基因研究院的研究人員指出，這項(xiàng)研究利用小分子核苷酸精準(zhǔn)合成了有活性的真核染色體，得到的基因組可以很好地調(diào)控酵母的功能。

同時(shí)，合成的染色體經(jīng)過精致的人工設(shè)計(jì)，刪除了研究者認(rèn)為無用的DNA，加入了人工接頭，總體長度比天然染色體縮減8%。

“人工合成染色體的價(jià)值，在于實(shí)現(xiàn)對基因的操控。”天津大學(xué)化工學(xué)院教授元英進(jìn)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(shè)計(jì)了染色體并確保細(xì)胞活性，說明研究人員已經(jīng)開始“知其所以然”。

2010年，美國科學(xué)家首次將人工合成的基因組植入一個(gè)原核細(xì)菌，開啟了化學(xué)合成生命的研究大門。不過，包括動物、植物和真菌在內(nèi)的真核生物，其染色體更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)與合成的難度也更高。

曾參與人類基因組測序計(jì)劃的楊煥明院士介紹說，合成生物學(xué)（Synthetic Biology）是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組測序計(jì)劃”之后，以基因組設(shè)計(jì)合成為標(biāo)志的第三次生物技術(shù)革命。

他指出，生物學(xué)界內(nèi)最重要的分類依據(jù)既不是植物和動物，也不是多細(xì)胞和單細(xì)胞生物，而是以原核生物和真核生物來區(qū)分。“細(xì)菌、病毒等原核生物的基因組相對簡單，而動物、植物、真菌等真核生物的基因（DNA）既豐富又復(fù)雜，通常會包含數(shù)億甚至數(shù)十億堿基對信息。同時(shí)，作為遺傳物質(zhì)的DNA通常被分配到不同的染色體中，而這些染色體又深藏在細(xì)胞核的特定區(qū)域。所以，合成一個(gè)真核生物的基因組是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。但是，如果生物學(xué)真正做到引領(lǐng)技術(shù)革命，合成真核生物基因組技術(shù)必將發(fā)揮非常核心的作用。”

元英進(jìn)說，此次研究解決了合成單細(xì)胞真核生物的基本科學(xué)問題，為未來設(shè)計(jì)、構(gòu)建復(fù)雜的真核生物細(xì)胞提供了更多知識儲備。

楊煥明介紹，在掌握了基因序列的秘密之后，研究人員還將通過對染色體的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、測試等一系列過程，來驗(yàn)證和修正對基因組的認(rèn)識。

“如果說基因組測序是‘讀懂生命密碼，基因組合成就是在‘編寫生命密碼，從讀到寫，是一個(gè)巨大飛躍。”楊煥明說。

“生命2.0”：有望解決人類醫(yī)學(xué)難題

釀酒酵母是第一個(gè)完成基因組測序的真核生物，測序工作于1996年完成，有16條染色體，其基因約有23%與人類同源。因此，釀酒酵母是遺傳學(xué)研究常用的一種模式生物，人工合成的釀酒酵母染色體能夠?yàn)榘d癇、癌癥、智力發(fā)育遲緩和衰老等人類面臨的醫(yī)學(xué)難題提供研究與治療模型。

元英進(jìn)舉例說，利用酵母菌細(xì)胞可以研究染色體異常，如果找到并修復(fù)細(xì)胞的基因組失活點(diǎn)，有望治療因染色體異常而導(dǎo)致的發(fā)育異常。

“如同建房子，人類從天然洞穴起步，建筑材料越來越好，形式越來越美。生命也是一樣，通過人工設(shè)計(jì)、化學(xué)再造，未來可以想象有2.0、3.0，版本越來越高。”元英進(jìn)說。

此外，釀酒酵母本身有著巨大的工業(yè)開發(fā)潛力。華大基因合成生物學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人沈玥說，應(yīng)用生物技術(shù)，釀酒酵母理論上可以合成人類賴以生存的一切有機(jī)物。比如，用酵母菌合成青蒿素已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的植物提取。但由于釀酒酵母比較脆弱，對環(huán)境的要求嚴(yán)苛，其應(yīng)用范圍一直受限。

楊煥明認(rèn)為，當(dāng)科學(xué)家完全掌握了設(shè)計(jì)、合成釀酒酵母染色體的技術(shù)后，可以更便捷地改進(jìn)釀酒酵母適應(yīng)環(huán)境的能力，讓發(fā)酵罐生產(chǎn)出更多樣化、成本更低廉的食物和能源等。

“試想有一種細(xì)菌，能把垃圾快速分解，或者把霾全部吸收。”清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員戴俊彪說，科學(xué)家希望利用合成生物技術(shù)解決污染、能源短缺等人類面臨的難題。對釀酒酵母染色體進(jìn)行更多設(shè)計(jì)，能幫助研究人員理解更多的生物學(xué)問題。

創(chuàng)造生命：目前還做不到“無中生有”

不過，雖然此次人工合成的釀酒酵母染色體有著精巧設(shè)計(jì)，但是它們?nèi)匀皇翘烊蝗旧w的模仿品。“我們對生命的了解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fēng)格可以迥然一變，但房間還是原來的房間，并非從零開始蓋房。

另外，科學(xué)家目前著力于設(shè)計(jì)和建構(gòu)染色體，然后將人工合成的染色體植入原有的天然細(xì)胞中。“如果細(xì)胞不匹配，就好比拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)安裝在小轎車上。”戴俊彪說，若要重新設(shè)計(jì)、建構(gòu)整個(gè)細(xì)胞，還有非常漫長的一段路要走。

元英進(jìn)說，通過此次研究，把非生命的化學(xué)物質(zhì)組裝成染色體，找到導(dǎo)致細(xì)胞死亡、細(xì)胞失活、生長缺陷的各項(xiàng)關(guān)鍵要素，未來有望實(shí)現(xiàn)人工設(shè)計(jì)與合成的突破。

“修補(bǔ)”基因：從“跟跑”轉(zhuǎn)為“并跑”

中國科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任楊琛說，此次中國科學(xué)家不僅實(shí)現(xiàn)了對“兆級”片段基因組的合成，還突破了生物合成方面的多項(xiàng)核心技術(shù)。

“合成基因組的過程，首先是合成一小段，再像搭積木一樣，把多個(gè)小段組裝成中段，再組裝成長片段。”楊琛說，此次合成建立了染色體缺陷靶點(diǎn)的快速定位與精確修復(fù)技術(shù)，解決了超長人工DNA片段的精準(zhǔn)合成難題。

“就像楊煥明院士所說，我國在釀酒酵母設(shè)計(jì)與合成研究中，已經(jīng)由‘跟跑轉(zhuǎn)為‘并跑！”楊琛認(rèn)為，這標(biāo)志著人類可以設(shè)計(jì)并合成真核生物的基因組，在人造生命方面邁出了非常重要的一步：一方面，可以更深刻地認(rèn)識基因組的靈活性與可塑性，進(jìn)一步深化對生命復(fù)雜性的理解；另一方面，此前，基因修飾的酵母已經(jīng)用來制作疫苗和藥物，這些人工合成酵母將在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。

（本文轉(zhuǎn)自新華網(wǎng)）