七年磨一劍：人工合成真核染色體！

在人們實現大腸桿菌（Escherichia coli）質粒的人工設計與合成的四十多年後，紐約大學的一支團隊實現了真核生物的染色體全合成——他們集結各方的科研力量，耗時七年，終於合成出了人工染色體synIII，並成功在釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中發揮功能。這一里程碑式的成果於3月28號發表在《科學》雜誌上。

酵母在生物醫藥和生物工程上的應用相當廣泛——它們不僅像大腸桿菌一樣易於培養又不含內毒素（大腸桿菌因為含有內毒素，而被禁止用於部分藥物的生產），而且作為真核生物，其表達分泌系統也更加完善。在此之前，酵母人工染色體大多是稍作改裝後的穿梭載體，各方面性能都不如synIII。人工合成的染色體將大大簡化今後的工作，更便捷地改變真核工程細胞的特性。除開科研外，還會給許多行業帶來福音：如果能提高它們對產物的耐受性，或者對不同條件的溫度和pH的適應度，那麼生物製藥和能源等產業將大大受益。

這個團隊的領導人是傑夫·伯克（Jef Boeke），他是紐約大學朗格尼醫學中心系統遺傳學研究所的主任。研究所構建的這個染色體是基於釀酒酵母最小的3號染色體設計的，有27萬多個鹼基對，其中增刪了許多元件以讓其功能更安全、齊全。不過作為它的模板，3號染色體能控制酵母的有性生殖——這不利於外源性狀的整合。為了讓合成出的染色體不影響酵母的生長繁殖，研究小組在其上的500多個地方進行了修改，並利用大通量的篩選來測試其影響，最終得到效果理想的組合。在此基礎上，他們還刪去了原基因組中許多不具功能的區域，如非編碼區、假基因和轉座子。同時，研究團隊還在許多位點上進行了序列的插入和增改，以讓它更穩定，更適合外源基因的插入。

合成的染色體synIII設計圖；研究團隊將染色體變得更加短小精悍又實用。標註部分是在原有染色體上做出的修改，包括對稱重組位點（loxPSym）的插入（青色），終止密碼子的改變（紅色）和同義密碼子的替換（藍色）；黃褐色區域是刪除的部分，兩端有重組位點。圖片來源：Boeke lab

與原核生物不同的是，真核生物的基因組更加冗雜。基因組不像大腸桿菌只有一個大環狀DNA，而是許多線狀的染色體；不僅在編碼基因的內部存在內含子，不同非編碼區擔負的功能也各異，更是有承擔著絲粒、端粒等特殊結構的功能序列。如果各個片段的排布異常，染色體的結構可能會變得不穩定，從而容易丟失。這種複雜性無疑給真核染色體的合成增加了難度。這項研究的意義不僅在於能夠將人工設計的真核染色體進行全合成，更重要的是，這一發生劇烈變化染色體能在酵母細胞中保留並發揮功能。這對今後重要的功能微生物的合成帶來了動力。

研究過程中，科學家們藉助電腦軟體設計出染色體的結構，隨後將其分成許多「構建單元」，即700至800鹼基對左右相互覆蓋的DNA片段，分別合成；然後利用覆蓋區域的特異序列將它們逐個「粘合」。在框架搭好後，研究者們利用了「基因洗牌」的方法，將不同的基因片段隨機相互組合，並培養相應的酵母，通過它們的表現——菌落大小、生長曲線，以及不同條件下的細胞形態——來判斷組合的優劣，越接近野生的越好。

早在分子生物學興起的伊始，生物學家們就開始嘗試構建模式生物作為研究工具——它們的遺傳背景清晰，且能夠相對便利地進行基因操作，便於控制實驗變數。而作為原核生物的代表，大腸桿菌更是早早地被人攻破，很快成為最基礎的模式物種之一。真核生物雖然也有人工染色體，但由於其大多是改造的原有染色體，常常含有許多的冗餘部分，比如假基因和轉座子。重新合成人工染色體，無異於從頭設計它應有的功能，便於科研人員更便捷地進行功能基因組學的研究。而這項動用了美、中、澳、新加坡和英國科研力量的大手筆，無疑是合成生物學上的里程碑。

伯克博士說，這個團隊的下個目標是利用這次的經驗，更快更好地合成酵母基因組中更大的染色體，同時在過程中加深對酵母不同基因功能的理解。

研究負責人傑夫·伯克。圖片來源：Boeke lab信息來源：Science文章題圖：Boeke lab
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