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我國實現(xiàn)合成生物學裏程碑式突破
2019-08-12 18:16:48
我國實現(xiàn)合成生物學裏程碑式突破 中化新網訊 近日,中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理(lǐ)生态研究所合成生物學重點實驗室研究員覃重軍研究團隊及其合作(zuò)者在國際上(shàng)首次人工(gōng)創建了(le)單條染色體的真核細胞。該成果于北京時(shí)間8月2日發表在《自(zì)然》上(shàng),是合成生物學領域具有裏程碑意義的突破。

  人類能(néng)否創造生命?2010年,美(měi)國科學家J. Craig Venter團隊在《科學》上(shàng)報(bào)道(dào)了(le)世界上(shàng)首個“人造生命”——含有全人工(gōng)化學合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體,引起轟動。此次,以覃重軍研究組爲主的研究團隊完成了(le)将單細胞真核生物釀酒酵母天然的十六條染色體人工(gōng)創建爲具有完整功能(néng)的單條染色體。該項工(gōng)作(zuò)表明(míng),天然複雜(zá)的生命體系可以通過人工(gōng)幹預變簡約,自(zì)然生命的界限可以被人爲打破,甚至可以人工(gōng)創造全新的自(zì)然界不存在的生命。

  生物學教科書中将自(zì)然界存在的生命體分爲具有被核膜包裹染色體細胞核的真核生物和(hé)染色體裸露無核膜包裹的原核生物。染色體攜帶了(le)生命體生長與繁殖的遺傳信息,真核生物通常含有線型結構的多條染色體,而原核生物通常含有環型結構的一條染色體。

  在該研究中,覃重軍假設真核生物也(yě)能(néng)像原核生物一樣,用(yòng)一條線型染色體裝載所有遺傳物質并完成正常的細胞功能(néng),并與副研究員薛小(xiǎo)莉“工(gōng)程化精準設計(jì)”定制人造單染色體酵母的指導原則以及理(lǐ)性分析、實驗設計(jì)、工(gōng)程化推進總體方案。博士研究生邵洋洋從(cóng)2013年開(kāi)始嘗試并發展高(gāo)效的染色體操作(zuò)方法,曆經4年時(shí)間,通過15輪染色體融合,成功創建了(le)隻有一條線型染色體的釀酒酵母菌株SY14。

  此後,覃重軍研究組進一步與中科院合成生物學重點實驗室研究員趙國屏研究組、中科院生物化學與細胞生物學研究所研究員周金(jīn)秋研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事(shì)醫(yī)學科學院研究員趙志虎等合作(zuò),深入鑒定SY14的代謝(xiè)、生理(lǐ)和(hé)繁殖功能(néng)及其染色體的三維結構。研究發現(xiàn),雖然人工(gōng)創建的單條線型染色體的三維結構發生了(le)巨大(dà)變化,但(dàn)SY14酵母具有正常的細胞功能(néng),這(zhè)颠覆了(le)染色體三維結構決定基因時(shí)空(kōng)表達的傳統觀念,揭示了(le)染色體三維結構與實現(xiàn)細胞生命功能(néng)的全新關系。

  釀酒酵母是研究染色體異常的重要模型,1/3基因與具有23對(duì)染色體的人類基因同源。端粒是線型染色體末端的保護結構。随着細胞分裂次數的增加,端粒的長度逐漸縮短,當端粒變得不能(néng)再短時(shí),細胞就會(huì)死亡。人類的過早衰老(lǎo)與染色體的端粒長度直接相關。此外(wài),端粒的縮短還與基因突變,腫瘤形成等許多疾病相關。與天然酵母的32個端粒相比,覃重軍研究團隊人工(gōng)創造的單條線型染色體僅有2個端粒,爲研究人類端粒功能(néng)及細胞衰老(lǎo)提供很(hěn)好(hǎo)的模型。

  該研究成果是通過經典分子生物學“假設驅動”與合成生物學“工(gōng)程化研究模式”來(lái)探索解析生命起源與進化中重大(dà)基礎科學問題的新範例。将天然複雜(zá)的酵母染色體通過人工(gōng)改造以全新的簡約化形式表現(xiàn)出來(lái),是繼原核細菌“人造生命”之後的一個重大(dà)突破。單染色體酵母的“誕生”,連同我國科學家參與的酵母染色體全人工(gōng)合成工(gōng)作(zuò),是繼20世紀60年代人工(gōng)合成結晶牛胰島素和(hé)tRNA之後,中國學者再一次利用(yòng)合成科學策略,去回答(dá)生命科學領域一個重大(dà)的基礎問題,即建立原核生物與真核生物之間基因組進化的橋梁。這(zhè)是合成生物學“建物緻知(zhī)”理(lǐ)念的生動體現(xiàn),爲人類對(duì)生命本質的研究,開(kāi)辟了(le)新方向。