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  • 人造酵母:捅破生命界限的“窗戶紙”

  • 時間:2018-08-03 新聞來源: 熱點資訊網
  •    覃重軍說自己是個“懶人”,最近5年來,他平均每年的論文還不到1篇;他也不怎么去積極申請經費,每天要么在單位院子里散步,要么就是關在辦公室里,琢磨事兒。

      他開玩笑說,像他這樣的人在別的地方,估計早就被開除了。

      但是,他所工作的中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所非但沒開除他,還讓他當了中科院合成生物學重點實驗室主任;中科院非但沒冷落他,還讓他承擔了戰略性先導科技專項的課題。

      因為他們都知道,覃重軍琢磨的事,從來沒有人做過。

      8月2日,英國《自然(Nature)》雜志在線發表了一篇論文,覃重軍研究團隊與合作者在國際上首次人工創建了單條染色體的真核細胞,中國科學家獨立創造了全新的自然界不存在的生命。

      都是微生物,差別咋那么大?

      在生物學教科書中,自然界的生命體分為真核生物和原核生物兩種。前者的細胞內有成形的細胞核,寫著遺傳物質的染色體就裝在里面;而后者沒有細胞核,染色體是裸露的。

      真核生物通常含有線型結構的多條染色體,比如人類、動植物、真菌、酵母菌;而原核生物通常只有一條環型的染色體,最典型的就是各種細菌。

      酵母和細菌都是人類熟悉的微生物,為何差別卻這么大?這引起了覃重軍的好奇。

      “單倍體酵母有16條染色體,我就想,能不能把它們簡化一下,把它變成像細菌一樣,用一條染色體來裝載所有的遺傳物質,同時完成正常的細胞功能呢?”覃重軍說。

      人類能否創造生命?這個問題是科學界孜孜以求的重大課題。2010年,美國科學家在《科學》雜志報道了世界上首個“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,曾引起過轟動。

      但覃重軍的想法可能更加“瘋狂”,他要試圖去打破真核生物和原核生物的界限。

      16變1的“壓縮”生命

      有了這個大膽的設想之后,覃重軍與副研究員薛小莉用工程化精準設計的方法,定制了人造單染色體酵母的指導原則,以及理性分析、實驗設計、工程化推進的總體方案。并指導學生從2013年起,嘗試并發展高效的染色體操作方法。

      研究人員歷經4年時間,通過15輪的染色體融合,最終成功創建了只有一條線型染色體的釀酒酵母菌株。經過代謝、生理、繁殖功能及染色體三維結構的鑒定,覃重軍等人發現,雖然人工酵母的單條線型染色體三維結構發生了巨大變化,但這種酵母與天然酵母一樣具有正常的細胞功能。

      覃重軍告訴《中國科學報》記者,能成功把16條染色體合并成1條的關鍵因素之一,是因為“我們把所有染色體末端的重復序列都剔除出去了。”

      基因組為什么一定要那么大,把冗余的信息減掉會怎樣?在他看來,這些生命的“冗余信息”,刪掉它們,或許能給合成生物學家一個機會,能夠將天然復雜的酵母染色體通過人工改造,以全新的簡化形式表現出來。

      這正是覃重軍最大膽的地方。在很多科學家眼中,生命的遺傳物質里盡管有許多重復信息,但既然大自然的進化把它們保留下來了,就肯定有它存在的道理。

      可是在合成生物學家的實驗室里,大量冗余信息的存在,卻常常讓他們陷入泥潭。美國科學院院士Jef Boeke是人工合成酵母基因組國際計劃的負責人,在聽聞覃重軍的成果后,他驚呼:“你的膽子太大了!我們都不敢把這些序列去掉。”

      實際上,在這期《自然》雜志同期在線發表的論文中,Boeke團隊也報告了一項成果,他們把酵母的16條染色體,壓縮到了2條。

      比100篇《nature》更重要的事

      覃重軍的酵母不但活了,還活得挺好。

      “覃博士和他的團隊編輯了釀酒酵母的基因組,創造了將幾乎所有遺傳信息融合進單個染色體的酵母菌株。”自然科研中國區總監Paul Evans評價稱:“盡管融合顯著改變了三維染色體結構,但經證實,改造后的酵母細胞出乎意料地穩健,在不同的培養條件下,沒有表現出重大的生長缺陷。”

      因為既沒有引入外源基因,也沒有刪除必備的遺傳物質,覃重軍認為,這種人工合成的酵母是非常安全的,“既可以做研究又可以吃,基礎研究和應用的前景都很廣闊”。

      單染色體酵母的誕生,被認為是繼上世紀60年代中國人工合成牛胰島素和tRNA之后,中國在合成生物學領域的又一個重要貢獻。

      它也更像是一個新的范例。覃重軍和他的同事,將經典分子生物學的“假設驅動”與合成生物學的“工程化研究模式”相結合,為學科的發展提供了新的思路。

      在中科院前沿科學與教育局生命科學處處長沈毅看來,合成生物學雖然是一個年輕的學科,但從來都不乏重大成果。“相信有了中國科學家的參與,人類想象的空間會不斷擴展,合成生物學也將更多融入和改變人類的生活。”

      研究結果出來后,多名國際同行都向覃重軍發出了合作邀請,希望能盡快將這種酵母進行產業化。可覃重軍覺得,他身上還肩負著更重要的使命,他想用這種酵母,開展人類疾病的研究。

      位于染色體兩頭的端粒是他的下一個目標。科學家已經知道,人類的衰老、基因突變、腫瘤形成等都與端粒的縮短密不可分,當端粒變得不能再短時,細胞就會死亡。關于端粒的研究獲得了2009年的諾貝爾獎。

      釀酒酵母是研究染色體異常的重要模型,1/3基因與人類基因同源,但天然酵母具有32個端粒,研究起來困難重重。相比之下,人造單染色體酵母只有2個端粒,能夠為研究人類端粒功能及細胞衰老提供一個很好的模型。

      “我們靠想象力打開一扇扇大門,靠理性選擇其中正確的一扇。”覃重軍說,“如果我們的酵母能夠為人類健康作出一些貢獻,那比我發100篇《Nature》還要有價值。”

    來源:科學網 www.sciencenet.cn 

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