Nature：構造酵母染色體

　　 合成生物學的目標之一就是構建那些復雜的人工合成有機體。目前，在酵母細胞中已經取得了階段性的進展——采用分段式方法，研究者已經可以將整個酵母染色體轉化成為合成序列了。

　　生物細胞其實很像是一臺計算機——基因組可以比作軟件，它負責對細胞的構成進行編碼，細胞器則猶如計算機的硬件，負責讀取并運行軟件的命令。DNA技術的進展使得這個領域的科學家能夠以生物學“軟件工程師”的角色來進行工作，把新的生物“運行系統”裝載到細胞中去。的確，就在2010年，蕈狀支原體（Mycoplasma mycoides）的整個基因組被人工合成的基因組所取代，從而產生了第一個合成細胞。如今，Annaluru等人在《科學》（Science）雜志上發表了文章，描述他們的小組是如何開始重寫更加復雜的有機體——釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的基因組的。研究者們在文章中敘述了他們怎樣在這個酵母中設計并構建出具有功能的合成染色體，這是他們將近十年的研究過程中里程碑式的成果。

　　著名的理論物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）曾說過：“我不能創造出來的東西，我就無法理解。”這句話激發了來自全世界各地的合成生物學家的靈感。當然，這并不意味著我們對于可以創造出來的東西就一定能夠完全理解。事實上，在我們建立DNA的能力與我們對DNA的編碼能力及內容的理解之間還存在著巨大的差距。在酵母（這是第一次在真核生物里實現這一創舉，真核生物包括植物、動物及真菌）中構建合成染色體代表著我們正在縮小這種差距的路上邁出了一步。構造釀酒酵母這種被廣泛用作模型有機體的合成染色體之所以具有如此重大的意義，是因為這使得科學家可以借以研究在真核細胞內生命維持的必需條件，因為合成有機體可以很容易地被人工操控。

　　可以說，這項研究起始于計算機，Annaluru及其同事們利用計算機下載了共享的釀酒酵母（S. cerevisiae）染色體的DNA序列（染色體III）。接下來，他們設計了相關的遺傳改變，猶如對計算機軟件進行編輯，從而將特異性的改變引入到染色體中去。這些編輯包括刪除可有可無的DNA序列；使用特別序列進行標記，以使研究者能夠區分天然DNA和人工改造的DNA；以及使用另一段DNA序列代替舊有的具有基因轉錄功能的DNA序列，并執行舊有DNA序列原本的功能。

　　此外，研究者通過引入特定的基因信號，去除掉那些非必需DNA序列，從而使得染色體大小得以縮減。這樣可以幫助研究人員確定為發揮某一生物功能，或在某種特定生長條件下有機體生存所需的最少基因序列數量。這個信息是很關鍵的，因為這可以讓我們更具有預見性地去書寫生物學“軟件”，從而保證合成細胞最終可以有效的運行“軟件”所編寫的程序。

　　Annaluru及其同事為了構建合成染色體，把設計的DNA序列打斷成相互重合的長度為70個核苷酸的若干片段，采用化學合成方法合成。來自約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University）修讀“建立一個基因組（Build-a-Genome course）”課程的學生們負責運用DNA組裝方法把這些DNA片段重新串連成一條大約3000堿基對長度的DNA序列。

　　接下來，通過一次把12段彼此重合的3kb長的合成片段引入到酵母細胞內，連續進行11次整合，原有的染色體序列完全被合成DNA序列所替代。

　　這一整合成果是包含了基因工程染色體III所有序列并和原有天然酵母一樣生長的酵母菌株。273kb長度的合成染色體包含超過50,000個序列改變，并且比原有天然序列縮短了14%。

　　這一研究的意義在于，它回答了長久以來一直沒有答案的問題：基因組設計如何可以在真核細胞模型中利用生物學規則在基因水平加以操控。例如，基因片段間多余的DNA序列是否可以被去除？不必要的遺傳密碼是否可以被改寫？Annaluru研究小組對酵母所做出的序列改變到目前為止還沒有顯示出有任何不良的結果，這也預示著未來研究中對基因序列進行修改的可行性。

　　如果兩個或以上的基因擁有同樣的功能，那么是否意味著其中有的是可以被刪除的？在酵母基因組中那些被認為是多余的序列，哪些是可以同時被去除的？研究者已經開始把那些可以同時去除，而不會給酵母的生長帶來負面影響的基因羅列出來。回答這些基本問題，是合成酵母小組研究者們的一個目標，他們還同時對大腸桿菌（Escherichia coli）做相似的研究，以期根據這些研究結果更好地了解如何構建只含有維持生命所必需的基因的細菌基因組。

　　兩個原核生物基因組在此前曾經用化學合成方法制得——長度為583kb的生殖器支原體（Mycoplasma genitalium）及長度為1,078kb的蕈狀支原體（M. mycoides）基因組——可見合成一個長度為273kb的染色體本身并沒有什么可大驚小怪的。生殖器支原體和蕈狀支原體基因組都被整合入酵母內進行培養，作為額外的染色體而存在。就如同蘋果軟件在安裝了Windows操作系統的電腦上無法兼容一樣，合成的細菌基因組也無法啟動酵母細胞內的系統，因此在酵母細胞內環境中無法產生可以自我復制的子代細胞。通過基因組移植（genome transplantation），所有細菌基因組都必須攜帶可兼容的“硬件”進入到細菌主體內，從而將受體細胞轉化成新的合成細胞（圖.1a）。與之不同的是，Annaluru等分階段逐漸將天然酵母染色體轉化成為具有完備功能的合成染色體，這一切都在靶細胞——酵母細胞內完成（圖.1b）。

Nature：構造酵母染色體

　　圖1|構建合成基因組。a，構建合成細菌細胞，整個合成細菌基因組在酵母細胞內整合完成。在這種情況下，細菌基因組是沒有活性的，因為酵母細胞缺少啟動細菌基因表達的蛋白質。當合成完成后，合成基因組被轉導至具有兼容性的細菌受體細胞內，在那里被啟動并產生合成細胞。b，與a不同，Annaluru等人則是在酵母細胞內構建合成性酵母基因組。他們用分步方法使天然基因組被合成DNA代替，從而達到了這一目的。

　　與蕈狀支原體細胞完全合成不同的是，染色體III只占酵母基因組的不到3%。現在的問題是：這些設計規則是否可以適用于整個酵母基因組？事實上，在合成百分之百的重組酵母基因組之前，想要獲得合成酵母細胞的科學家還有很長一段路要走。然而，通過證實他們的設計原則的可行之處，以及整合了來自全世界各地的科學家們致力于構建另外15個染色體，Annaluru的團隊可以說已經為今后最終實現他們的目標打下了堅實的基礎。

　　這些已經取得的成果對整個合成生物學界都是巨大的鼓舞。每一個新的成果不僅僅讓我們更加了解了生物學本身，同時也為我們指明今后研究得方向和可能的方法，讓研究者堅定地在合成生物學領域里走下去——并堅信這將對整個社會產生積極的影響。