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酵母基因组人工合成项目成果在深发布

来源:     时间: 2017-03-13 17:00:00
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  目前,科学家们试图通过基因组的阅读、解读以及重新设计,从“读懂生命”迈向“再造生命”。3月11日,深圳华大基因研究院、深圳国家基因库和天津大学在深圳共同举办酵母基因组人工合成项目(Sc2.0 Project)(以下简称“项目”)重大成果新闻发布会。项目国际协作组宣布完成2号、5号、6号、10号和12号这5条染色体的从头设计与全合成,并从多个方面进行了深入分析,最终获得与普通酵母菌高度一致的人工合成酵母菌。

  “项目实施促进了我们对酵母和基因组的认知,让我们更加透彻地了解机体的生物学机制、生物学反应及进化过程等,对解决人类生存面临的能源短缺、环境污染等问题有重要意义。”项目组相关负责人说。

  据悉,项目为“基因组合成2020计划”重大目标的实现奠定了基础,2020年前有望合成第一个人造动物线虫、第一种人造植物拟兰芥。

  基因组合成如同“搭积木”

  21世纪才诞生的生物学界前沿科学——合成生物学,一直备受瞩目。将“基因”连接成网络,让细胞来完成设计人员设想的各种任务,是这一学科的终极目标。“人工再造生命体”酵母基因组人工合成项目成果的发布,意味着科学界离这一目标更近一步。该重量级成果于10日在国际顶尖权威杂志Science以封面、专刊形式同时发表7篇论文。

  酿酒酵母作为真核生物,有16条染色体,长久以来,在真核模式的生物中对于酵母的研究最为广泛。“酵母基因组人工合成项目”成立的初衷便是实现人工合成真核生物酿酒酵母的全部染色体(1400万个碱基,大小约为人基因组的0.5%),即实现酵母生命源代码的完全人工编写与合成。

  项目负责人解释:“我们使用电脑程序设计和编写了酵母的遗传信息,并做出一些修改,使其与普通的酵母菌有所不同。然后通过化学合成的方式将这些遗传信息以DNA的形式合成出来,放入到酵母里面替代原来的DNA.这样,这个酵母的所有生命活动都变成了由人工设计合成的DNA控制,而非天然的DNA,成为一种人造生命体。”

  染色体究竟是如何设计与合成的?“与其从染色体的一端开始一步步构建,不如多进程、多角度同时构建。”深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沈玥是2号染色体文章的第一作者,她将基因组人工合成比喻为“搭积木”,“如同高架桥建设一样,我们搭好了架子,每一个需要合成构建的小模块都在同时进行,当所有模块完成后,我们只需要一个高效拼接各模块的方法即可”。

  国际科研项目中的深圳力量

  该项目是继支原体基因组合成项目后,合成基因组学领域的又一重大标志性国际合作项目,由美国发起,中国、英国等国家的多个研究机构共同协作。在这项世界性的重大科研项目中,深圳力量不容小觑。

  华大基因作为中国的代表团队之一,主导了2号染色体的从头设计与全合成。在设计中,华大基因团队简化了原有的基因组,设计了许多特殊的“元件”,增加了人工设计的“开关”,简化了编码,充分展现人类对于基因组编写能力已接近于计算机语言的可用性。

  国家基因库在该项目中也扮演重要角色。深圳国家基因库执行主任徐讯指出,合成生物学是国家基因库构建的“三库两平台”中的“写”平台,目前已初具规模。而人工酵母染色体的合成是此平台发展中的标志性成果和重要突破,为“基因组合成2020计划”重大目标的实现奠定了基础。

  徐讯在新闻发布会上宣布,“基因组合成2020计划”将在2020年前完成四大突破,包括第一个人造动物线虫、第一种人造植物拟兰芥、第一条人源21号染色体、一万种人工噬菌体的合成。

  “从认识自然到根据自然的规律重新设计自然,从基因组的阅读、解读到重新设计,即在基因组的编写上,此项目是人类认识自然的历史上的一个重大突破,也再次彰显了中国科学家在科学发展和人类社会进步中的重要作用。”中科院院士、华大基因理事长杨焕明说。

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  人造酵母有何意义?

  项目组负责人告诉记者,从科学理论上来看,人工设计与合成酵母基因组及其后续开展基因组快速演化研究,不仅可实现对酵母全基因组功能研究,而且通过基因组随机变化产生的酵母菌库,为研究酵母演化史提供了大量的素材。

  杨焕明表示,每一种动物、植物的成分用酵母都可以生产。酵母在生物采样、药品的生产方面同样十分重要,再加上3D打印机,未来农业发酵都可以用酵母来生产。如原来用细菌生产的味精、维生素等已经开始用酵母来生产,这对绿色农业将带来巨大的影响。“在研究过程中我们发现生命的现象和人类是相似的,酵母的研究也就是对人类健康的研究,这些都可以反映酵母本身的价值。”

  记者了解到,未来,项目组将会继续完成剩余染色体的设计合成,然后将所有的人工设计合成的染色体放到同一个酵母细胞里面,实现基因组水平上完完全全的人造酵母。

 


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