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　史無前例！北京時(shí)間3月10日凌晨三點(diǎn)出版的國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》，以封面的形式同時(shí)刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)家的4篇研究長(zhǎng)文！（注：每期《科學(xué)》雜志會(huì)挑選當(dāng)期一項(xiàng)重磅研究成果作為封面圖和封面標(biāo)題。）

　　由天津大學(xué)、清華大學(xué)和華大基因分別完成的這4篇長(zhǎng)文，介紹了生物合成研究的新突破：完成了4條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設(shè)計(jì)與化學(xué)合成——要知道，釀酒酵母總共有16條染色體，此前國(guó)際同行奮斗多年才發(fā)現(xiàn)了1條。

　　在合成染色體的過程中，他們還突破了生物合成方面的多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，比如：突破合成型基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題，設(shè)計(jì)構(gòu)建染色體成環(huán)疾病模型，開發(fā)長(zhǎng)染色體分級(jí)組裝策略，證明人工設(shè)計(jì)合成的基因組具有可增加、可刪減的靈活性，等等。這些技術(shù)將幫助在全世界的生命科學(xué)研究和相關(guān)實(shí)際應(yīng)用中大顯身手，其價(jià)值不可估量。

　　國(guó)內(nèi)外同行指出，這是繼合成原核生物染色體之后的又一里程碑式突破，有望開啟人類“設(shè)計(jì)生命、再造生命和重塑生命”的新紀(jì)元。

　　人工合成酵母染色體，意義何在？

　　曾參與人類基因組測(cè)序計(jì)劃的華大基因理事長(zhǎng)楊煥明院士介紹說，合成生物學(xué)（Synthetic Biology）是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組測(cè)序計(jì)劃”之后，以基因組設(shè)計(jì)合成為標(biāo)志的第三次生物技術(shù)革命。他指出，生物學(xué)界內(nèi)重要的分類依據(jù)，既不是植物和動(dòng)物，也不是多細(xì)胞和單細(xì)胞生物，而是以原核生物和真核生物來區(qū)分?！凹?xì)菌、病毒等原核生物的基因組相對(duì)簡(jiǎn)單，而動(dòng)物、植物、真菌等等真核生物的基因（DNA）既豐富又復(fù)雜，通常會(huì)包含數(shù)億至甚至數(shù)十億堿基對(duì)信息。同時(shí)，作為遺傳物質(zhì)的DNA通常被分配到不同的染色體中，而這些染色體又深藏在細(xì)胞核的特定區(qū)域。所以，合成一個(gè)真核生物的基因組是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。但是，如果生物學(xué)真正做到引領(lǐng)技術(shù)革命，合成真核生物基因組技術(shù)必將發(fā)揮非常核心的作用?！?

　　為完成設(shè)計(jì)和化學(xué)再造完整的釀酒酵母基因組，國(guó)際科學(xué)界發(fā)起了釀酒酵母基因組合成計(jì)劃（Sc2.0計(jì)劃），這是合成基因組學(xué)（Synthetic genomics）研究的標(biāo)志性國(guó)際合作項(xiàng)目。該項(xiàng)目由美國(guó)科學(xué)院院士杰夫·伯克發(fā)起，有美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、澳大利亞、新加坡等多國(guó)研究機(jī)構(gòu)參與并分工協(xié)作，試圖重新設(shè)計(jì)并合成釀酒酵母的全部16條染色體（長(zhǎng)約12Mb，1Mb是百萬堿基對(duì)）。

　　天津大學(xué)化工學(xué)院教授元英進(jìn)是早參與該計(jì)劃的中國(guó)科學(xué)家，此次在《科學(xué)》期刊上以通訊作者身份發(fā)表了2篇論文。他告訴記者，如同科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的果蠅、斑馬魚，釀酒酵母是生物學(xué)研究中的“模式真核單細(xì)胞生物”?！叭绻f病毒基因組的合成開啟了基因組化學(xué)合成研究，那么原核生物和真核生物基因組合成研究的不斷突破，則初步實(shí)現(xiàn)了化學(xué)全合成基因組對(duì)單細(xì)胞原核生物和真核生物的生命調(diào)控?！搬劸平湍甘堑谝粋€(gè)被全基因組測(cè)序的真核生物，大尺度的設(shè)計(jì)和重建酵母基因組是對(duì)目前酵母領(lǐng)域知識(shí)貯備的真實(shí)性、完整性和準(zhǔn)確性的一個(gè)直接考驗(yàn)?；瘜W(xué)合成酵母，一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎(chǔ)生物學(xué)的問題，另一方面可以通過基因組重排系統(tǒng)，使酵母實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)化，得到在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用潛力的菌株?！?

　　我國(guó)科學(xué)家在合成酵母中發(fā)現(xiàn)了什么？

　　2014年，Sc2.0已創(chuàng)建了一個(gè)單一的人工酵母染色體。此次國(guó)際合作，中外科學(xué)家們共完成了5條染色體的化學(xué)合成，其中中國(guó)科學(xué)家完成了4條，占完成數(shù)量的66.7%，把Sc2.0計(jì)劃向前推進(jìn)了一大步。

　　其中，元英進(jìn)帶領(lǐng)的天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了5號(hào)、10號(hào)（synV、synX）染色體的化學(xué)合成，并開發(fā)了高效的染色體缺陷靶點(diǎn)定位技術(shù)和染色體點(diǎn)突變修復(fù)技術(shù)；戴俊彪研究員帶領(lǐng)清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了當(dāng)前已合成染色體中長(zhǎng)的12號(hào)染色體（synXII）的全合成；深圳華大基因研究院團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)愛丁堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了2號(hào)染色體（synII）的合成及深度基因型-表型關(guān)聯(lián)分析。

　　“人工合成基因組的尺度和復(fù)雜度的不斷提升，向科學(xué)界對(duì)生物體運(yùn)作方式以及生命本質(zhì)的認(rèn)知提出了越來越大的挑戰(zhàn)。在基因組尺度的DNA合成中面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，是定位人工基因組中影響細(xì)胞長(zhǎng)勢(shì)的序列，即缺陷（bug）。常規(guī)的排除缺陷（debugging）的方法有三種，都有費(fèi)時(shí)耗力、效率不高的缺點(diǎn)?！痹⑦M(jìn)團(tuán)隊(duì)成員、“10號(hào)染色體”文章第一作者、天津大學(xué)博士生吳毅介紹說：在合成長(zhǎng)達(dá)770kb（kb：千堿基對(duì)）的釀酒酵母10號(hào)染色體的過程中，我們創(chuàng)建了基因組缺陷靶點(diǎn)快速定位與修復(fù)方法，解決了全化學(xué)合成基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題。我們所得到的全合成酵母染色體具備完整的生命活性，能夠成功調(diào)控酵母的生長(zhǎng)，并具備各種環(huán)境響應(yīng)能力。此方法在化學(xué)合成基因組研究中具有普適性，并且作為一種新穎的表型和基因組關(guān)聯(lián)性分析的策略，有望顯著提升我們對(duì)基因組結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)知?！?

　　“5號(hào)染色體”文章第一作者、天津大學(xué)博士生謝澤雄說，在全面推進(jìn)Sc2.0計(jì)劃的過程中，我們建立了基于多靶點(diǎn)片段共轉(zhuǎn)化的基因組修復(fù)技術(shù)和DNA大片段重復(fù)修復(fù)技術(shù)，解決了超長(zhǎng)人工DNA片段的精準(zhǔn)合成難題。同時(shí)，我們首次實(shí)現(xiàn)了真核人工基因組化學(xué)合成序列與設(shè)計(jì)序列的完全匹配，系統(tǒng)性支撐與評(píng)價(jià)了當(dāng)前真核生物的設(shè)計(jì)原則。該技術(shù)的突破為研究人工設(shè)計(jì)基因組的重新設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證與技術(shù)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。利用化學(xué)合成的酵母5號(hào)染色體定制化建立了一組環(huán)形染色體模型，通過人工基因組中設(shè)計(jì)的特異性水印標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞分裂過程中染色體變化的追蹤和分析，為研究當(dāng)前無法治療的環(huán)形染色體疾病、癌癥和衰老等發(fā)生機(jī)理和潛在治療手段提供了了研究模型。此外，我們發(fā)展了多級(jí)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化基因組合成方法，創(chuàng)建了一步法大片段組裝技術(shù)和并行式染色體合成策略，實(shí)現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定制精準(zhǔn)合成?！?

　　清華大學(xué)的戴俊彪團(tuán)隊(duì)，則設(shè)計(jì)合成了12號(hào)染色體。在研究中，他們開發(fā)了長(zhǎng)染色體分級(jí)組裝的策略，即：首先通過大片段合成序列，在6個(gè)菌株中分別完成了對(duì)染色體不同區(qū)域內(nèi)源DNA的逐步替換；然后利用酵母減數(shù)分裂過程中同源重組的特性，將多個(gè)菌株中的合成序列進(jìn)行合并，獲得完整的合成型染色體。針對(duì)12號(hào)染色體上存在的高度重復(fù)的核糖體RNA編碼基因簇進(jìn)行刪除及工程化改造，并利用修改后的重復(fù)單元在基因組多個(gè)位點(diǎn)重建了核糖體RNA編碼基因簇?！霸摴ぷ鞯於宋磥韺?duì)其他超大、結(jié)構(gòu)超復(fù)雜的基因組進(jìn)行設(shè)計(jì)與編寫的基礎(chǔ)，同時(shí)也證明了酵母基因組中rDNA（核糖體DNA）區(qū)域及其他序列均具有驚人的靈活度與可塑性?！贝骺”氡硎?。

　　深圳華大基因研究院與英國(guó)愛丁堡大學(xué)共同完成2號(hào)染色體的從頭設(shè)計(jì)與全合成（長(zhǎng)770 Kb），合成酵母菌株展現(xiàn)出與野生型高度相似的生命活性。該論文的第一作者、深圳國(guó)家基因庫(kù)合成與編輯平臺(tái)負(fù)責(zé)人沈玥介紹說，科研人員使用“貫穿組學(xué)（Trans-Omics）”方法，從表型、基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組五個(gè)層次系統(tǒng)地進(jìn)行基因型-表現(xiàn)型的深度關(guān)聯(lián)分析，證明了人工設(shè)計(jì)合成的釀酒酵母基因組可增加、可刪減的高度靈活性?！?

　　令人欣喜的是，華大基因與愛丁堡大學(xué)合成的酵母菌株，不僅與野生型有高度相似的生命活性，而且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性大大加強(qiáng)，其進(jìn)化速度呈幾何級(jí)提高。

　　人工合成4條酵母染色體，價(jià)值幾何？

　　“2000年公布的人類基因組測(cè)序，中國(guó)只承擔(dān)了百分之一的工作，這次我們完成了釀酒酵母染色體合成的四分之一，可以說是中國(guó)在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得的突破性成果，進(jìn)一步奠定了我國(guó)在這一領(lǐng)域的國(guó)際地位。”楊煥明說，“兩相比較，不難看出我們?cè)谏茖W(xué)研究領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。在釀酒酵母設(shè)計(jì)與合成研究中，我們已由‘跟跑’轉(zhuǎn)為‘并跑’，今后‘領(lǐng)跑’也不是不可能?！?