《科学》同时刊发中国科学家4篇文章,介绍合成生物学领域的新突破

生命密码 从读到写(新知)

本报记者  朱  虹

2017年03月21日04:30  来源:人民网-人民日报
 

  元英进教授(后)指导学生做实验。
  本报记者 朱 虹摄

  日前出版的国际顶级学术期刊《科学》,史无前例地以封面的形式同时刊发了中国科学家的4篇研究文章。这4篇文章由天津大学、清华大学和深圳华大基因研究院分别完成,介绍了合成生物学领域最新研究突破:完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成。这项研究打破了非生命物质与生命的界限,有望开启人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。

  重新设计并合成真核单细胞生物

  这一研究还要回溯到2011年,天津大学化工学院教授元英进与美国科学院院士杰夫·伯克讨论酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0计划),并成为该计划的国际化推动者及中国最早参与者。

  合成生物学(Synthetic Biology)是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后,以基因组设计合成为标志的第三次生物技术革命。“如果说基因组测序是读懂生命密码,基因组合成就是编写生命密码,从读到写,是一个巨大飞跃。”元英进说。

  生物学界内以原核生物和真核生物作为划分物种依据。原核生物的基因组相对简单,但动物、植物、真菌等真核生物具有多条线性染色体,生命形式更复杂丰富,通常会包含数亿甚至数十亿碱基对信息,所以合成一个真核生物的基因组是一项非常艰巨的任务。Sc2.0计划旨在重新设计并合成真核单细胞生物——酿酒酵母的全部16条染色体。

  2014年Sc2.0已创建了一个单一的人工酵母染色体,这次科学家们共完成了5条染色体的化学合成,其中中国科学家完成了4条,把Sc2.0计划向前推进了一大步。元英进带领的天津大学团队完成了5号、10号(synⅤ、synⅩ)染色体的化学合成,并开发了高效的染色体缺陷靶点定位技术和精准修复技术。戴俊彪研究员带领清华大学团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体(synⅫ)的全合成。深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体(synⅡ)的合成及深度基因型—表型关联分析。

  “化学合成酵母可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题,也可以通过基因组重排系统,实现快速进化,成为在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。”元英进说。

  Sc2.0计划的国际化模式也给国际性大型旗舰项目提供了很好的参考模板。元英进认为,“中国的研究者在本次国际计划中发挥了举足轻重的作用。中国的基因组设计合成能力也提升到了前所未有的高度,进一步奠定了我国在这一领域的国际地位。”

  为当前无法治疗的疾病提供研究模型

  根据学术界的署名习惯,论文的第一作者是创新性科研成果中贡献最大的直接执行者,通讯作者指科研成果的总体设计者和负责人。元英进此次在《科学》期刊上以通讯作者身份发表了2篇论文,而2篇论文的第一作者,分别是天津大学博士生90后的谢泽雄和1989年出生的吴毅,共同第一作者则是天津大学的80后教师李炳志。

  谢泽雄在博士期间主要负责人工合成酿酒酵母基因组5号染色体的课题。Sc2.0基因组设计工作由美国约翰·霍普金斯大学完成,谢泽雄与团队成员负责5号染色体的合成。他们发现,基于美方原始设计序列获得的合成型酵母菌株存在着明显的生长问题乃至无法存活。最终他们对5号染色体的设计重新修正,令研究“起死回生”。“只要我们坚持,在人工基因组合成领域,一定可以实现与美国的并跑乃至赶超。”谢泽雄说。

  人工合成酿酒酵母10号染色体的负责人吴毅在大四被保送到了元英进教授课题组。据他介绍,在合成长达770kb(kb:千碱基对)10号染色体的过程中,团队创建了基因组缺陷靶点快速定位与精确修复方法,解决了全化学合成基因组导致细胞失活的难题,所得到的全合成酵母染色体具备完整的生命活性,能够成功调控酵母的生长,并具备各种环境响应能力。此方法在化学合成基因组研究中具有普适性,有望显著提升人们对基因组结构和功能的认知。

  经过5年的努力,他们的成果终于在《科学》得以呈现。谢泽雄以第一作者身份完成《完美设计合成Ⅴ号染色体及其环化表型研究》,吴毅成为《化学合成Ⅹ号染色体缺陷靶点定位与生长表征》的第一作者,这也是他们自本科以来发表的第一篇研究论文,他俩同时还是这次其他4篇《科学》文章的共同作者。

  谢泽雄和吴毅的科研历程始于2012年,那时天津大学开设了构建人工基因组(Build A Genome)本科生课程。本次发表在《科学》上以谢泽雄为第一作者的论文有93名作者参与,其中有60位是曾与他一同参加BAG课程的本科生和研究生同学。他们一边进行理论学习,一边“真刀真枪”做科研,创新能力得到增强。

  谢泽雄的父母一直搞不懂儿子整天研究的是什么。谢泽雄解释:研究发现人类3号和5号染色体发生漂移和重排有可能诱发肾癌,我们通过化学再造基因,可使治疗疾病成为可能。

  不仅如此,团队还利用化学合成的酵母5号染色体定制化建立了一组环形染色体模型,通过人工基因组中设计的特异性水印标签实现对细胞分裂过程中染色体变化的追踪和分析,为研究当前无法治疗的环形染色体疾病、癌症和衰老等发生机理和潜在治疗手段提供了研究模型。这也是团队继续研究的方向。


  《 人民日报 》( 2017年03月21日 12 版)
(责编:曹昆)

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