中國科學家實現(xiàn)染色體“16合1”

國際首例人造單染色體真核細胞創(chuàng)建成功，中國實現(xiàn)合成生物學里程碑式突破

新京報訊 (記者李玉坤 王俊)中國科學家在國際上首次人工創(chuàng)建了單條染色體的真核細胞，這一成果昨日在國際知名學術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。記者從中科院了解到，這一成果完全由中國科學家獨立完成，是合成生物學具有里程碑意義的重大突破。

覃重軍(左一)團隊及學生在中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所合成生物學重點實驗室內(nèi)(7月31日攝)。新華社記者 丁汀 攝

將16條染色體人工創(chuàng)建為單條染色體

人類能否創(chuàng)造生命?2010年，美國科學家創(chuàng)造了世界上首個“人造生命”——含有全人工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，中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所合成生物學重點實驗室研究員覃重軍研究團隊完成了將單細胞真核生物釀酒酵母天然的16條染色體人工創(chuàng)建為具有完整功能的單條染色體。

在生物學教科書中，將自然界存在的生命體分為具有被核膜包裹染色體細胞核的真核生物和染色體裸露無核膜包裹的原核生物。染色體攜帶了生命體生長與繁殖的遺傳信息，真核生物通常含有線型結(jié)構(gòu)的多條染色體，而原核生物通常只有環(huán)型結(jié)構(gòu)的一條染色體。

復雜生命體可人工干預變簡約

覃重軍說，他大膽設(shè)想真核生物也能像原核生物一樣，用一條線型染色體裝載所有遺傳物質(zhì)并完成正常的細胞功能，通過人工創(chuàng)建釀酒酵母，驗證了這個假設(shè)是可行的。這說明，天然復雜的生命體系可以通過人工干預變簡約，自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創(chuàng)造全新的自然界不存在的生命。

據(jù)介紹，釀酒酵母是研究染色體異常的重要模型，釀酒酵母中有1/3基因與具有23對染色體的人類基因同源。覃重軍的成果為研究人類細胞衰老提供了很好的模型。覃重軍表示，這也是他未來的研究方向。

■ 對話

覃重軍：顛覆太多，很多評委不相信

昨日，新京報記者對話了該項目團隊負責人覃重軍，他回顧了一些實驗細節(jié)。在向《自然》投稿之后，因為太具顛覆性，很多評委怎么也不相信，讓他們補充了大量實驗。

“論文發(fā)表了以后，我特別高興，因為證據(jù)強大，是個完美的故事。”他說。

合成16條染色體耗時近兩年

新京報：為什么選擇釀酒酵母作為研究對象?

覃重軍：釀酒酵母是一種模式生物，已經(jīng)被研究得很透徹。酵母分單倍體和雙倍體，正常單倍體是有16條染色體，雙倍體是有16對。我們做的是單倍體，因為雙倍體32條，工作量至少翻倍。

新京報：可以說我們創(chuàng)造了“人造生命”嗎?

覃重軍：我們?nèi)斯?chuàng)造了一個活細胞，功能正常，可以說是“人造新生命”，畢竟之前從來沒有造出來過。

美國科學家之前是合成過人造支原體，那是原核生物，結(jié)構(gòu)簡單。釀酒酵母屬于真核生物，相比于原核生物，釀酒酵母跟人類關(guān)系更近。

新京報：既然合成了單細胞真核生物，那么多細胞生物可以合成嗎?

覃重軍：我覺得多細胞生物有點難操作，但也不是不可能。因為多細胞生物，包括高等生物，都能進行遺傳操作。比如水稻、小鼠，都可以“敲掉”基因、融合染色體，只是沒有像釀酒酵母這么高效。我們的文章發(fā)表后，肯定會有人去做多細胞生物實驗。

新京報：這些基因重組是純“手工”操作嗎?

覃重軍：我們是一點點做的，從16條慢慢合成一條，在比較順利的情況下用了差不多快兩年時間。

不過我們不是化學合成，我們在細胞內(nèi)操作。有一種操作是在細胞外合成，然后導進去。我們采取細胞內(nèi)操作，用一把“手術(shù)刀”，可以把重復的基因切掉，然后再合成。

新京報：這條超級染色體有多長?

覃重軍：酵母基因組大概6500個基因，我們把有效信息都整合到一條超級大的染色體上。這條超級染色體接近原來最大一條長度的10倍。

新京報：16條染色體中剔除掉哪些信息?

覃重軍：主要是基因組的重復序列，有19個，我認為它們造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，全部刪掉了。拉著染色體跑的那個東西叫著絲點，有16個，刪掉15個。

合成的釀酒酵母可用于工業(yè)發(fā)酵

新京報：染色體中是有一些沉默基因的，這些不表達的基因也全部拿掉嗎?

覃重軍：沒有拿掉，而且沉默的基因被激活了。釀酒酵母有個特點，靠近染色體最末端的一到兩個基因是不表達的，通俗來講，像死火山一樣，是沉默的。但是，我們把它們夾到中間了，有的就“活”過來了，大概有7個基因重新表達了。

新京報：你們合成的釀酒酵母可以應用到工業(yè)中嗎?

覃重軍：我們合成的酵母已經(jīng)應用到工業(yè)當中了。有一個瑞典的科學家，去年問我們要了材料。他拿到以后，進行工業(yè)發(fā)酵。前不久給我們寫郵件，說是穩(wěn)定的，可以用于工業(yè)發(fā)酵。

新京報：那7個重新表達的基因，會不會產(chǎn)生有害物質(zhì)?

覃重軍：不會這么巧，這個不用擔心。釀酒酵母本來就可以吃，自身沒有任何有害物質(zhì)。我們合成的酵母菌，只是把遺傳信息重新編排，刪掉重復的信息，沒有加外源的東西，不需要再評估，所以繼續(xù)可以吃。

新京報：16條染色體變成一條以后，表達有沒有紊亂?

覃重軍：原來有16條染色體，每條上面都有著絲粒，每次分裂時紡錘體就拉著往回跑。現(xiàn)在16條染色體變成了一個超級染色體，我們想會不會拉斷啊?生物比我們想象得更厲害，拉那么巨大的染色體也不怕，這個有點顛覆人的想象。所以我想也許它當時沒挑夠，本來可以挑100斤，但它只挑了10斤，所以這會兒讓它挑100斤還是能挑得動的。

新京報：人有23對染色體，增加減少都會得病，整合酵母染色體對研究人類遺傳病有什么啟發(fā)?

覃重軍：釀酒酵母可以作為模型，打開一個窗口。因為釀酒酵母可以改得天翻地覆，比如人的很多染色體的疾病，都可以在釀酒酵母上模擬，看它如何恢復正常，然后在高等生物上測試。

新京報：對于人類遺傳疾病，你下一步要進行哪些研究?

覃重軍：人類遺傳疾病研究是我下一步要做的，下一個目標是做對治療人類染色體的疾病有幫助的實驗。

投稿后有幾個評委“死也不相信”

新京報：你是什么時候?qū)嶒灣晒Φ?

覃重軍：我是2016年10月構(gòu)建成功的。投稿以后，有的評委覺得顛覆的東西太多了，必須給出嚴格證明。有幾個評委死也不相信，建議我做一堆實驗，幾乎要我們的命。

新京報：補充實驗做了多久?

覃重軍：補了快一年的實驗。有評委說，人造單染色體和天然要全面競爭表現(xiàn)怎么樣?比如減速分裂、競爭生長。給我的體會就是，這個結(jié)論太重大了。我也擔心一直做實驗拖了時間，被人先發(fā)。

論文發(fā)表了以后，我特別高興，因為證據(jù)強大。

新京報：有多少研究所問你們要材料?

覃重軍：國內(nèi)國外已經(jīng)很多實驗室問我要了材料，幾乎做釀酒酵母的都會問我要。

新京報：那你覺得你們的成果在國際上能領(lǐng)先多久?

覃重軍：我們實際上領(lǐng)先不了多久，因為別人要材料我們不可能不給，而外國科學家的效率很高。我的這個成果，前期創(chuàng)意是我認為最難的地方。所以，我覺得技術(shù)領(lǐng)先不是最重要的，中國要想領(lǐng)先，要在原創(chuàng)的思想上用最大的功夫。

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