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n37555.com中国“创造”世界首例单条染色体真核细胞

覃重军:我们合成的酵母已经应用到工业当中了。有一个瑞典的科学家,去年问我们要了材料。他拿到以后,进行工业发酵。前不久给我们写邮件,说是稳定的,可以用于工业发酵。

为什么选择酿酒酵母?酿酒酵母是日常发酵中最常用的生物种类,不仅用于制作面包、啤酒等,还是用于生命科学研究的代表性真核生物。作为1996年第一个完成基因组测序的真核生物,酿酒酵母有16条染色体,其基因约有1/3与人类同源。

人类能否创造生命?2010年,美国科学家J.CraigVenter和他的科研团队在《科学》杂志报道了世界上首个“人造生命”——含有化学人工全合成的与天然序列几乎相同的染色体的原核生物支原体,引起了全世界轰动。记者今天获悉,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合成生物学重点实验室覃重军研究团队与合作者在国际上首次完成了将真核酿酒酵母天然的16条染色体人工创造为有功能的单条巨大染色体。该项工作表明,天然复杂的生命体系也可以通过“人造”变简约,自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。该成果于北京时间8月2日在国际顶尖学术期刊《自然》在线发表,是“人造生命”领域具有里程碑意义的重大科技突破。

覃重军:酿酒酵母是一种模式生物,已经被研究得很透彻。酵母分单倍体和双倍体,正常单倍体是有16条染色体,双倍体是有16对。我们做的是单倍体,因为双倍体32条,工作量至少翻倍。

此次人造酿酒酵母获重大突破,将会给人们的生活带来哪些影响?覃重军介绍,人工合成酵母在医药和工业发酵等领域具有应用潜力。

记者了解到,酿酒酵母三分之一基因与人类基因同源。人类的过早衰老与染色体的端粒长度直接相关,端粒的缩短还与许多疾病相关。与天然酵母的32个端粒相比,SY14酵母的单条线型染色体仅有2个端粒,为研究人类端粒功能及细胞衰老提供了很好的模型。周金秋副所长提到,如果能将癌细胞的端粒变短,便可以在癌症方面取得重大突破。覃重军称,以后将会运用该单染色体细胞平台着手以上疾病方面的研究。自然科研中国区总监保罗·埃文斯称:“这些酵母菌株也可称为研究染色体生物学基本概念的强大资源,这些概念包括染色体的复制、重组和分离,这些都是生物学领域长期以来十分重要的主题。”

美国科学家之前是合成过人造支原体,那是原核生物,结构简单。酿酒酵母属于真核生物,相比于原核生物,酿酒酵母跟人类关系更近。

虽然在2010年,《科学》
杂志曾报道,美国科学家做出世界首个“人造生命”:与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体,但由于科学家对其生命密码没有完全掌握,并未对其进行任何改造,只是单纯地复制。以覃重军课题组为主的研究团队,真正实现将真核酿酒酵母天然的16条染色体“合一”,创建为具有完整功能的单条染色体。仅有一条染色体的真核细胞,打破了教科书中原核生物与真核生物的界限。该项工作表明,天然复杂的生命体系也可通过“人造”变简约,自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命,为人类对生命本质的研究开辟新的方向。

(原载于《光明日报》2018年08月03日01版)

覃重军:我是2016年10月构建成功的。投稿以后,有的评委觉得颠覆的东西太多了,必须给出严格证明。有几个评委死也不相信,建议我做一堆实验,几乎要我们的命。

生物学教科书中,将自然界存在的生命体,分为真核生物和原核生物。所有真核生物细胞含有的染色体有多条,且都是线型结构,如人类、小鼠、酿酒酵母等都是真核生物。而原核生物细胞含有的染色体通常只有一条,且是环型结构,如大肠杆菌、破伤风菌等许多细菌。真核生物能否像原核生物一样,只用一条染色体来装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能呢?覃重军研究员做出一个大胆猜想。在这之前,自然界从没发现过一条染色体的真核生物。覃重军团队做出小心求证,他们随机把酿酒酵母16条染色体中的任意2条进行融合,如此操作了8次,得到一个惊人的发现——菌株的生长速率几乎不变。这意味着,原先的大胆猜想是有可能实现的。

该研究成果首次通过经典分子生物学“假设驱动”与合成生物学“工程化”方法来探索解析生命起源与进化中的重大基础科学问题。覃重军认为,合成生物学的目标是“重构简小化、模块化、定量化、最优化的基因组”。在“人造生命”领域的思想、理论、工程和技术等方面勇于创新、大胆实践,将天然复杂的生命形式通过人工改造以全新的简约化的形式表现出来,实现“人造”全新生命。单染色体真核细胞的“诞生”打破了教科书中原核生物与真核生物的界限。

合成的酿酒酵母可用于工业发酵

人造单染色体酵母与天然酵母细胞相比,两者形态相似,但染色体的三维结构有巨大改变。图中标出的染色体末端蓝色小圆点为端粒,一条染色体有两个端粒。

生物学教科书中将自然界存在的生命体分为真核生物和原核生物。染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息,真核生物通常含有线型结构的多条染色体,比如人类有23对染色体,而原核生物通常含有环型结构的一条染色体。对此,覃重军研究员有不一样的想法,他大胆假设真核生物也能像原核生物一样,用一条线型甚至是一条环型的染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能。在“大胆猜想”之后,他与薛小莉副研究员“工程化精准设计”制定了人造酵母染色体的指导原则、理性分析与详细实验设计、工程化高效推进的总体方案,博士生邵洋洋从2013年开始尝试并发展高效的染色体操作方法。历经4年时间,通过15轮染色体融合,成功将天然酿酒酵母单倍体细胞的16条染色体融合为1条,染色体“16合1”后的酿酒酵母菌株被命名为SY14。覃重军研究团队与中科院生物化学与细胞生物学研究所周金秋研究员、中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室的赵国屏院士、武汉菲沙基因信息有限公司及军事医学科学院赵志虎研究员等团队合作,发现虽然人工合成的单条线型染色体酵母细胞的染色体三维结构发生了巨大变化,但却具有正常的细胞功能,颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念,揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。

新京报:补充实验做了多久?

比如说细胞衰老问题,随着细胞分裂次数增加,染色体末端的端粒长度会逐渐缩短,当端粒变得不能再短时,细胞就会死亡。人类的过早衰老与染色体的端粒长度直接相关。此外,端粒的缩短还与许多疾病相关,包括基因突变、肿瘤形成等。由于端粒长度不一,在药物开发和筛选时,需要取多个端点的平均值,观测、计算均繁复。与天然酵母的32个端粒相比,覃重军研究团队人工创造的单条线型染色体仅有2个端粒,很多规律可以更清晰地得到,为研究人类端粒功能及细胞衰老提供了很好的模型。此外,由于是重新编排酵母染色体,没有导入任何外来基因,因此这一酿酒酵母仍可食用,未来可以强化其营养成分,向超级营养酿酒酵母发展。

覃重军研究团队人工创造的单条线型染色体真核细胞将对未来合成生物学的研究造成深远影响。融合染色体酵母菌株对生物学基本概念研究具有巨大的意义,并且可以基于此建立人类染色体端粒与细胞衰老、肿瘤形成的模型。覃重军认为合成生物学精确、高效的科学理念和大胆假设的勇气是成功的关键。中国科学家再次利用合成生物学技术回答了生命科学一个重大的基础问题,他们打开了“生命的大门”,为生命科学的研究开辟了一条崭新的道路。

论文发表了以后,我特别高兴,因为证据强大。

覃重军与薛小莉副研究员“工程化精准设计”了人造酵母染色体的实验总体方案。博士生邵洋洋从2013年开始尝试并发展高效的染色体操作方法,历时4年,通过15轮染色体融合,最终成功创建了只有一条线型染色体的单细胞真核生物酿酒酵母菌株SY14。

新京报:16条染色体中剔除掉哪些信息?

在医药和工业发酵具有应用潜力

覃重军:不会这么巧,这个不用担心。酿酒酵母本来就可以吃,自身没有任何有害物质。我们合成的酵母菌,只是把遗传信息重新编排,删掉重复的信息,没有加外源的东西,不需要再评估,所以继续可以吃。

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新京报:你是什么时候实验成功的?

覃重军研究组与合成生物学重点实验室赵国屏院士研究组、中科院生物化学与细胞生物学研究所周金秋研究员研究组、武汉菲沙基因信息有限公司及军事医学科学院赵志虎研究员等团队合作发现,尽管单条人工染色体的三维结构发生巨大变化,但SY14酵母在基因组表达、细胞复制周期等变化非常小,仍具有正常细胞功能。这一发现颠覆了染色体结构决定基因表达的传统观念,揭示了染色体结构与实现细胞生命功能的全新关系。这是继人工合成牛胰岛素和人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸之后,中国学者利用合成科学策略,探索生命起源与进化的重大基础科学问题的新范例。

新京报:这条超级染色体有多长?

探索生命起源与进化新范例

据介绍,酿酒酵母是研究染色体异常的重要模型,酿酒酵母中有1/3基因与具有23对染色体的人类基因同源。覃重军的成果为研究人类细胞衰老提供了很好的模型。覃重军表示,这也是他未来的研究方向。

(原载于《解放日报》 2018-08-03 05版)

覃重军:主要是基因组的重复序列,有19个,我认为它们造成结构不稳定,全部删掉了。拉着染色体跑的那个东西叫着丝点,有16个,删掉15个。

酿酒酵母基因1/3与人类同源

新京报:染色体中是有一些沉默基因的,这些不表达的基因也全部拿掉吗?

日前,中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室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:把酿酒酵母细胞里原本天然的16条染色体,人工融合成单条染色体,且仍具有正常的细胞功能。既改变了染色体的结构,又仍保有生命的“活性”,人工蜕变出一个全新细胞。该成果于北京时间8月2日在国际顶尖学术期刊《自然》在线发表,这项工作完全由中国科学家独立完成,是在“人造生命”领域具有里程碑意义的重大突破。

覃重军:酵母基因组大概6500个基因,我们把有效信息都整合到一条超级大的染色体上。这条超级染色体接近原来最大一条长度的10倍。

覃重军:我们是一点点做的,从16条慢慢合成一条,在比较顺利的情况下用了差不多快两年时间。

覃重军:没有拿掉,而且沉默的基因被激活了。酿酒酵母有个特点,靠近染色体最末端的一到两个基因是不表达的,通俗来讲,像死火山一样,是沉默的。但是,我们把它们夹到中间了,有的就“活”过来了,大概有7个基因重新表达了。

不过我们不是化学合成,我们在细胞内操作。有一种操作是在细胞外合成,然后导进去。我们采取细胞内操作,用一把“手术刀”,可以把重复的基因切掉,然后再合成。