中國科學家搞了大事情:讓酵母菌在無限可能中「成長」|科學家|鹼基對|酵母

06-20

　　來源：科學人公眾號

　　原標題：中國科學家們搞了個大事情，讓酵母菌在無限的可能中找到更好的自己……

　　上個月，叫獸君的朋友圈被一則「中國科學家再造人工合成生命」的新聞刷屏了。該報道稱，中國科學家以「史無前例」的姿態，用封面文章的形式，在頂級期刊《科學》雜誌上同時發表了4篇論文。論文稱科學家們從頭編寫了一種真核生命——釀酒酵母的DNA，從而創造了人造的真核生命。

圖1。《Science》專刊封面。那些長得像草又像蘑菇的棒狀物是酵母的染色體，而那些金色的部分是人工合成的染色體。人工合成的染色體結構和遺傳信息與天然的染色體相似，例如我們都可以看到一圈圈纏繞在一起的像電話線一樣的DNA。圖片來源於《science》雜誌

　　得知此消息的朋友們紛紛跑來向我求證，說這回中國科學家又搞了個大新聞啊，連合成生命都開始搞了？這個人造的酵母到底有啥用啊？甚至有人感到了恐慌——這次搞了個酵母，下回是不是要做人造人了？當然，也有好多人問我要人工合成生命女神的電話…

「人造生命女神」、2號染色體合成文章第一作者，華大基因合成與編輯平台負責人沈玥博士和她的小夥伴們

　　大新聞是咋回事？

　　這次報道的主角——人工合成酵母基因組項目（Sc 2.0項目），旨在重新設計合成一個真核單細胞微生物——酵母的16對染色體，即合成世上首例人造酵母。這個項目是由傑夫·博克（Jef Boeke）教授發起，多國團隊共同參與的國際項目。截止目前，科學家們一共合成了16對目標染色體中的6對半。這次《科學》雜誌以專刊形式報道的就是其中5條合成染色體的最新研究進展。專刊中有4篇文章是中國科學家的工作成果，說明中國在合成生命的科研領域已經走在了世界的最前列。此處應真心的為中國的科學團隊點贊！

圖2。迄今為止人類已合成的酵母染色體示意圖。左邊是用合成酵母和野生酵母菌落畫出來的染色體示意圖，金色的是含合成DNA的酵母菌落，藍色則是野生的。大家數一數，看看現在有多少條是合成了的，多少條是還沒合成的？圖片來源於《science》雜誌

　　科學家是直接合成出一個酵母嗎？

　　很遺憾，由於細胞的成分結構太複雜，科學家還無法通過化學方法直接合成出細胞的全部成分。但是沒關係，也沒有必要重新合成那麼多複雜的東西。有更簡單直接的辦法——合成操縱著生命核心密碼的DNA。首先，科學家們用電腦程序重新設計了酵母菌的DNA序列，然後通過化學合成的方式合成出寡核苷酸鏈（就是超級短的DNA）。因為化學合成越長的DNA越容易出錯，成本很高，窮苦的科學家們hold不住啊。所以只能先合成短的DNA，再像拼積木一樣拼接出長的DNA。你問為什麼不直接化學合成全部DNA？我只能告訴你…

　　完成這一步之後，再把酵母體內天然的DNA替換為合成的DNA，就算完成了人造生命。當然，現在我們只完成了一部分染色體的合成，等16對染色體全部合成完畢，將它們整合進一個酵母中，形成完整的「人造基因組」，才能最終誕生真正意義上的人造酵母。

圖3。人造酵母染色體合成流程示意圖。首先使用化學合成方法合成一系列長度60-80個鹼基對的寡核苷酸鏈。由於相鄰的寡核苷酸鏈被設計為部分重疊互補，可以使用PCR反應將這些寡核苷酸鏈組裝成750個鹼基對長度的building block。將buildingblock導入酵母中，利用酵母的同源重組能力將building block組裝成2-4千個鹼基對長的minichunk。再將minichunk放到同一個酵母中，再次利用酵母的同源重組能力，將天然的DNA逐步替換為合成的DNA。對於每個合成的染色體，具體的方法有所差異與創新，但大體思路相同。有興趣的小夥伴可以閱讀文獻中的方法。圖片引用自：Annaluru，N。， Muller， H。， Mitchell， L。 A。， Ramalingam， S。， Stracquadanio， G。， Richardson，S。 M。，。。。 Chandrasegaran， S。（2014）。 Total Synthesisof a Functional Designer Eukaryotic Chromosome。 Science， 344（6179）， 55-58.doi：10.1126/science.1249252

　　人造酵母和天然的酵母有啥區別？

　　很多人可能會想，既然咱們能創造生命，是不是想造啥就造啥了？對於這樣的問題，我只能默默流淚：生命的機制非常的複雜，科學家還遠沒有弄懂它的作用機制。因此，人造酵母的設計和構建還得參照自然界的酵母，而且，也得保證合成的酵母能表現出與天然的酵母相似的功能。

　　那麼，人造酵母和自然界的酵母真的沒有區別嗎？當然不是，在盡量模擬自然界酵母的基礎上，科學家們在合成的DNA上做了一些細微但重要的改變。例如，科學家們去除了DNA上一些他們認為無用累贅的序列，作了一些遺傳密碼的同義改寫，並在基因上加入了一個「進化開關」，給每個合成酵母一次進化的機會。科學家們通過引入一種叫做SCRaMbLE的進化系統（圖4），在經過誘導之後，能使每個酵母細胞的全部基因像洗牌一樣發生一次隨機的重新排列。這就給人工合成的酵母菌帶來了無限的可能，讓酵母菌在這無限的可能中找到更好的自己。

圖4 SCRaMbLE 系統示意圖。SCRaMbLE的全稱是Synthetic Chromosome Rearrangement and Modification by LoxP-mediated Evolution，能夠像洗牌一樣隨機打散染色體上所有基因的排列布局。圖中綠色的菱形就是「進化開關」，誘導之後染色體會隨機發生重排、刪除等變異，變異出不同的酵母。圖片引用自：Dymond， J。， & Boeke，J。（2012）。 The Saccharomyces cerevisiae SCRaMbLE system and genomeminimization。 Bioengineered Bugs， 3（3）， 168-171。 doi：10.4161/bbug.19543

　　合成的酵母有什麼用？

　　說了這麼多，那合成這樣一個人造酵母有什麼用呢？首先，合成酵母最直接的作用就是讓人類更好的認知生命。大家可能覺得基因組學和分子生物學發展的那麼迅猛，科學家們應該很了解生命了，那麼按圖索驥的合成一個生命應該也沒什麼難度。但是生命的複雜性就像女朋友的心，你以為你對她很了解，但是當你給她買口紅的時候，你才發現…

　　了解生命對於科學家來說就像了解女朋友，不敢說我們對她的了解一定是正確的——只有當合成生命按照我們預想的方式運作時，才能證明我們對生命的認識無誤。因此，科學家才期待通過研究人造酵母，找出更多與天然酵母不同的地方，從而更好的了解女朋友的本質。

（科普就科普，為什麼一言不合就撒狗糧T-T）

　　其次，合成的酵母菌本身也有巨大的應用潛力。人類已經利用酵母做了幾千年的啤酒、麵包和饅頭，在基因工程技術的幫助下，可以利用改造的酵母做更多的事情，例如生產抗體、靶向藥物、酵素（酶）、味精等等。這裡不得不提到諾貝爾獎的明星——青蒿素。2013年，傑伊·凱斯林（Jay Keasling）等人在酵母體內加入一系列基因，使其獲得青蒿素前體的合成能力，產量高達驚人的25g/L，大大降低了青蒿素的生產成本，提高了生產效率。利用類似的思路，科學家可以將人造酵母打造成一個「細胞工廠」，可以用來生產香水、合成藥物、生產清潔的能源物質，甚至帶來更多超越想像的新應用，更好的為人類服務。

　　最後，酵母菌的合成本身就是一種科學技術的突破。科學家從合成最簡單的病毒開始，到支原體菌，再到酵母菌，一步步克服了大小和複雜程度上質的區別。就像製造黑白手機、彩屏手機和智能手機一樣，經過了一個又一個軟體和硬體突破原有技術障礙、逐步升級的過程。掌握了酵母菌的合成技術，合成更高等的生命也就不再是夢想了。

　　酵母造完了，還有人造人嗎？

　　從古至今，創造生命就是一個人們津津樂道又爭議不斷的話題。在各民族的神話里，創造生命都是神靈的工作。然而，從合成病毒到合成原核微生物再到正在合成的人造酵母，這些曾經遙不可及的神話如今卻逐漸成為現實。當人類破譯更多真菌、植物，以及動物的遺傳密碼，可能，在不遠的將來，合成第一棵人造植物，第一隻人造萌寵，甚至人造人都會成為可能。但是，合成生物學的飛速發展也帶來了倫理和生命安全上的隱憂。如同所有科技都擁有兩個面，人造生命既能成為對人類有益的「細胞工廠」，也可能被利用來生產具有潛在危害的物質。如何監管這樣的合成生命，維護人類的安全也是一個沉重但不容忽視的話題。

　　人造生命是一條充滿希望又飽受爭議的荊棘之路。叫獸君認為，不管爭議如何，科學家對於合成生命的探索應當在合理的規範和監管之下，一往無前的繼續走下去。很期待合成酵母之後，不遠的將來能夠看到更多有趣的合成生命誕生。

　　編輯：明天

　　排版：曉嵐

　　題圖來源：123RF

　　參考文獻：

　　1.Annaluru， N。，Muller， H。， Mitchell， L。 A。， Ramalingam， S。， Stracquadanio， G。， Richardson， S.M。，。。。 Chandrasegaran， S。（2014）。 Total Synthesis of a Functional DesignerEukaryotic Chromosome。 Science， 344（6179）， 55-58。 doi：10.1126/science.1249252

　　2.Cello， J。，Paul， A。 V。， & Wimmer， E。（2002）。 Chemical synthesis of poliovirus cDNA：generation of infectious virus in the absence of natural template。 Science，297（5583）， 1016-1018。 doi：10.1126/science.1072266

　　3.Dymond， J。，& Boeke， J。（2012）。 The Saccharomyces cerevisiae SCRaMbLE system and genomeminimization。 Bioengineered Bugs， 3（3）， 168。

　　4.Dymond， J。 S。，Richardson， S。 M。， Coombes， C。 E。， Babatz， T。， Muller， H。， Annaluru， N。，。。。Boeke， J。 D。（2011）。 Synthetic chromosome arms function in yeast and generatephenotypic diversity by design。 Nature， 477（7365）， 471-476.doi：10.1038/nature10403

　　5.Gibson， D。 G。，Glass， J。 I。， Lartigue， C。， Noskov， V。 N。， Chuang， R。 Y。， Algire， M。 A。，。。。Venter， J。 C。（2010）。 Creation of a bacterial cell controlled by a chemicallysynthesized genome。 Science， 329（5987）， 52-56。 doi：10.1126/science.1190719

　　6.Hutchison， C.A。， Chuang， R。-Y。， Noskov， V。 N。， Assad-Garcia， N。， Deerinck， T。 J。， Ellisman，M。 H。，。。。 Venter， J。 C。（2016）。 Design and synthesis of a minimal bacterialgenome。 Science， 351（6280）。 doi：10.1126/science.aad6253

　　7.Jackson， D。 A。，Symons， R。 H。， & Berg， P。（1972）。 Biochemical Method for Inserting NewGenetic Information into DNA of Simian Virus 40： Circular SV40 DNA MoleculesContaining Lambda Phage Genes and the Galactose Operon of Escherichia coli.Proc Natl Acad Sci U S A， 69（10）， 2904-2909。

　　8.Mercy， G。，Mozziconacci， J。， Scolari， V。 F。， Yang， K。， Zhao， G。， Thierry， A。，。。。Koszul， R。（2017）。 3D organization of synthetic and scrambled chromosomes.Science， 355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4597

　　9.Mitchell， L.A。， Wang， A。， Stracquadanio， G。， Kuang， Z。， Wang， X。， Yang， K。，。。。 Boeke， J.D。（2017）。 Synthesis， debugging， and effects of synthetic chromosomeconsolidation： synVI and beyond。 Science， 355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4831

　　10.Paddon， C。 J。，Westfall， P。 J。， Pitera， D。 J。， Benjamin， K。， Fisher， K。， McPhee， D。，。。。Newman， J。 D。（2013）。 High-level semi-synthetic production of the potentantimalarial artemisinin。 Nature， 496（7446）， 528-532。 doi：10.1038/nature12051

　　11.Richardson， S.M。， Mitchell， L。 A。， Stracquadanio， G。， Yang， K。， Dymond， J。 S。， DiCarlo， J.E。，。。。 Bader， J。 S。（2017）。 Design of a synthetic yeast genome。 Science，355（6329）， 1040-1044。 doi：10.1126/science.aaf4557

　　12.Shen， Y。，Stracquadanio， G。， Wang， Y。， Yang， K。， Mitchell， L。 A。， Xue， Y。，。。。 Bader，J。 S。（2016）。 SCRaMbLE generates designed combinatorial stochastic diversity insynthetic chromosomes。 Genome Res， 26（1）， 36-49。 doi：10.1101/gr.193433.115

　　13.Shen， Y。， Wang，Y。， Chen， T。， Gao， F。， Gong， J。， Abramczyk， D。，。。。 Yang， H。（2017）。 Deepfunctional analysis of synII， a 770-kilobase synthetic yeast chromosome.Science， 355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4791

　　14.Wu， Y。， Li，B。-Z。， Zhao， M。， Mitchell， L。 A。， Xie， Z。-X。， Lin， Q。-H。，。。。 Yuan， Y。-J。（2017）。 Bug mapping and fitness testing of chemically synthesized chromosome X.Science， 355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4706

　　15.Xie， Z。-X。， Li，B。-Z。， Mitchell， L。 A。， Wu， Y。， Qi， X。， Jin， Z。，。。。 Yuan， Y。-J。（2017）。「Perfect」 designer chromosome V and behavior of a ring derivative。 Science，355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4704

　　16.Zhang， W。，Zhao， G。， Luo， Z。， Lin， Y。， Wang， L。， Guo， Y。，。。。 Dai， J。（2017）。Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome。 Science，355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf3981