16变1的“压缩生命”!世界首例人造单条染色体真核细胞中国创造

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  覃重军说自己是个“懒人”,最近5年来,他平均每年的论文还不到1篇;他也不怎么去积极申请经费,每天要么在单位院子里散步,要么就是关在办公室里琢磨事儿。

  他开玩笑说,像他这样的人在别的地方,估计早就被开除了。

  但是,他所工作的中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所非但没开除他,还让他当了中科院合成生物学重点实验室主任;中科院非但没冷落他,还让他承担了战略性先导科技专项的课题。

  因为他们都知道,覃重军琢磨的事,从来没有人做过。

  8月2日,英国《自然》杂志在线发表了一篇论文,覃重军研究团队与合作者在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞,中国科学家独立创造了全新的自然界不存在的生命。

  都是微生物,差别咋那么大?

  在生物学教科书中,自然界的生命体分为真核生物和原核生物两种。

  前者的细胞内有成形的细胞核,写着遗传物质的染色体就装在里面;而后者没有细胞核,染色体是裸露的。

  真核生物通常含有线型结构的多条染色体,比如人类、动植物、真菌、酵母菌;而原核生物通常只有一条环型的染色体,最典型的就是各种细菌。

  酵母和细菌都是人类熟悉的微生物,为何差别却这么大?

  这引起了覃重军的好奇。

  “单倍体酵母有16条染色体,我就想,能不能把它们简化一下,把它变成像细菌一样,用一条染色体来装载所有的遗传物质,同时完成正常的细胞功能呢?”覃重军说。

  人类能否创造生命?这个问题是科学界孜孜以求的重大课题。

  2010年,美国科学家在《科学》杂志报道了世界上首个“人造生命”——含有全人工化学合成的与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体——曾引起过轰动。

  但覃重军的想法可能更加“疯狂”,他要试图去打破真核生物和原核生物的界限。

  16变1的“压缩”生命

  有了这个大胆的设想之后,覃重军与副研究员薛小莉用工程化精准设计的方法,定制了人造单染色体酵母的指导原则,以及理性分析、实验设计、工程化推进的总体方案。

  并指导学生从2013年起,尝试并发展高效的染色体操作方法。

  研究人员历经4年时间,通过15轮的染色体融合,最终成功创建了只有一条线型染色体的酿酒酵母菌株。

  经过代谢、生理、繁殖功能及染色体三维结构的鉴定,覃重军等人发现,虽然人工酵母的单条线型染色体三维结构发生了巨大变化,但这种酵母与天然酵母一样具有正常的细胞功能。

  覃重军告诉《中国科学报》记者,能成功把16条染色体合并成1条的关键因素之一,是“我们把所有染色体末端的重复序列都剔除出去了” 。

  基因组为什么一定要那么大,把冗余的信息减掉会怎样?

  在他看来,对于这些生命的“冗余信息”,删掉它们,或许能给合成生物学家一个机会,能够将天然复杂的酵母染色体通过人工改造,以全新的简化形式表现出来。

  这正是覃重军最大胆的地方。

  在很多科学家眼中,生命的遗传物质里尽管有许多重复信息,但既然大自然的进化把它们保留下来了,就肯定有它存在的道理。

  可是在合成生物学家的实验室里,大量冗余信息的存在,常常让他们陷入泥潭。

  美国科学院院士Jef Boeke是人工合成酵母基因组国际计划的负责人,在听闻覃重军的成果后,他惊呼:“你的胆子太大了!我们都不敢把这些序列去掉。”

  实际上,在这期《自然》杂志同期在线发表的论文中,Boeke团队也报告了一项成果,他们把酵母的16条染色体,压缩到了2条。

  比100篇《自然》更重要的事

  覃重军的酵母不但活了,还活得挺好。

  “覃博士和他的团队编辑了酿酒酵母的基因组,创造了将几乎所有遗传信息融合进单个染色体的酵母菌株。”自然科研中国区总监Paul Evans评价称,“尽管融合显著改变了三维染色体结构,但经证实,改造后的酵母细胞出乎意料地稳健,在不同的培养条件下,没有表现出重大的生长缺陷。”

  因为既没有引入外源基因,也没有删除必备的遗传物质,覃重军认为,这种人工合成的酵母是非常安全的,“既可以作研究又可以吃,基础研究和应用的前景都很广阔”。

  单染色体酵母的诞生,被认为是继上世纪60年代中国人工合成牛胰岛素和tRNA之后,中国在合成生物学领域的又一个重要贡献。

  它也更像是一个新的范例。覃重军和他的同事,将经典分子生物学的“假设驱动”与合成生物学的“工程化研究模式”相结合,为学科的发展提供了新的思路。

  在中科院前沿科学与教育局生命科学处处长沈毅看来,合成生物学虽然是一个年轻的学科,但从来都不乏重大成果。“相信有了中国科学家的参与,人类想象的空间会不断扩展,合成生物学也将更多地融入和改变人类的生活。”

  研究结果出来后,多名国际同行都向覃重军发出了合作邀请,希望能尽快将这种酵母进行产业化。

  可覃重军觉得,他身上还肩负着更重要的使命,他想用这种酵母,开展人类疾病的研究。

  位于染色体两头的端粒是他的下一个目标。

  科学家已经知道,人类的衰老、基因突变、肿瘤形成等都与端粒的缩短密不可分,当端粒变得不能再短时,细胞就会死亡。关于端粒的研究获得了2009年的诺贝尔奖。

  酿酒酵母是研究染色体异常的重要模型,1/3的基因与人类基因同源,但天然酵母具有32个端粒,研究起来困难重重。

  相比之下,人造单染色体酵母只有2个端粒,能够为研究人类端粒功能及细胞衰老提供一个很好的模型。

  “我们靠想象力打开一扇扇大门,靠理性选择其中正确的一扇。”覃重军说,“如果我们的酵母能够为人类健康作出一些贡献,那比我发100篇《自然》还要有价值。”

  

相关论文信息:
Doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0382-x

  《中国科学报》 (2018-08-03 第1版 要闻,原题《人造酵母:捅破生命界限的“窗户纸”》)

  

  

  

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