中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所也于今早宣布了改成果。

基因組層面上化學(xué)合成生命的大門在2010年正式開啟。當(dāng)年，曾領(lǐng)銜人類基因組計(jì)劃的美國(guó)科學(xué)家克萊格?文特爾（J. Craig Venter）及其團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）雜志報(bào)道了世界上首個(gè)“人造生命”——含有全人工化學(xué)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(dòng)。

2014年開始，美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)、法國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)將“人造生命”的目標(biāo)從原核細(xì)菌跳躍至真核的酵母。截至2017年3月，已公開發(fā)表的成果顯示，酵母的16條染色體已人工合成了6條。按照計(jì)劃，科學(xué)家們將于2018年年底完成全部16條染色體的合成。

基于酵母可被人工設(shè)計(jì)的成熟度越來越高，圍繞其展開的研究課題也逐漸多元化。

值得一提的是，由中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成的這項(xiàng)研究，是在國(guó)際上首次人工創(chuàng)建了單條染色體的真核細(xì)胞。同期發(fā)表的杰夫?博克團(tuán)隊(duì)成果則最終只能將16條酵母染色體融合至2條，盡管經(jīng)過了很多次的嘗試，杰夫?博克團(tuán)隊(duì)始終無法獲得存活的、僅有一條染色體的細(xì)胞。

中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所（籌）副所長(zhǎng)、深圳市合成生物學(xué)協(xié)會(huì)常務(wù)副會(huì)長(zhǎng)戴俊彪在接受澎湃新聞采訪時(shí)對(duì)研究成果點(diǎn)評(píng)道，“這是人類首次通過實(shí)驗(yàn)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)物種的染色體數(shù)目進(jìn)行系統(tǒng)和大規(guī)模的改造?！贝骺”胛磪⑴c此項(xiàng)研究。

戴俊彪表示，包括杰夫?博克團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的兩篇論文的研究結(jié)果均表明，自然進(jìn)化而成的現(xiàn)有真核生物（至少釀酒酵母）染色體數(shù)目與功能之間并不存在直接的決定關(guān)系，染色體的數(shù)目可以進(jìn)行人為的改變，同時(shí)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)不造成顯著的影響。

大膽猜想：1條線型染色體裝載所有遺傳物質(zhì)

在自然界漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中，不同生命體逐漸形成了自身特有的基因組，包括相對(duì)較為穩(wěn)定的DNA序列和固定的染色體數(shù)目。

染色體攜帶了生命體生長(zhǎng)與繁殖的遺傳信息。染色體裸露無核膜包裹的原核生物通常含有環(huán)型結(jié)構(gòu)的一條染色體，而染色體細(xì)胞核被核膜包裹的真核生物中，除了雄性杰克跳蟻（Myrmecia pilosula）只含一條染色體，其他所有已知的真核生物都包含數(shù)目不等的多條染色體。

然而，一些基本的生物學(xué)問題，例如染色體數(shù)目是否與生物的功能具有相關(guān)性？以及染色體的數(shù)目是否具有可變性？相對(duì)于單個(gè)染色體，多個(gè)染色體對(duì)于真核細(xì)胞有何優(yōu)勢(shì)？限于技術(shù)的障礙，這些從未能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2008年，趙國(guó)屏參與中科院關(guān)于中國(guó)科技五十年發(fā)展路線圖的編撰工作，負(fù)責(zé)“生命起源、進(jìn)化與人造生命”部分。看到合成生物學(xué)將會(huì)給生命科學(xué)帶來的顛覆性變革，趙國(guó)屏向中科院提出申請(qǐng)，以上海植物生理生態(tài)研究所分子微生物實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，成立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)“合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。

實(shí)驗(yàn)室成立2年后的2011年，曾師從斯坦福大學(xué)基因克隆創(chuàng)始人之一斯丹利?科恩（Stanley N. Cohen）教授、38歲即獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委“杰青”資助的覃重軍，從鏈霉菌研究開始向微生物染色體合成、改造、重編程方向轉(zhuǎn)型。

曾經(jīng)對(duì)原核生物駕輕就熟的覃重軍隨后大膽假設(shè)：真核生物是否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(xì)胞功能？

假設(shè)之后，覃重軍團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)鎖定在釀酒酵母身上。釀酒酵母是一種模式單細(xì)胞真核生物，每個(gè)單倍體細(xì)胞內(nèi)包含有16條線型染色體，每條染色體的基因組大小從230kb到1500 kb不等。

覃重軍指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)

趙國(guó)屏表示，“從和我們實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性來說，酵母首先是一種單細(xì)胞真核生物，有16條染色體，是典型的多染色體真核生物。此外，和大部分真核生物不一樣的是，酵母染色體上僅有1個(gè)著絲粒，可以使得我們的工作相對(duì)簡(jiǎn)單?！?

隨后，覃重軍等人“工程化精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”了定制人造單染色體酵母的指導(dǎo)原則以及理性分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、工程化推進(jìn)的總體方案。2013年開始，酵母染色體的融合工作啟動(dòng)。

15輪融合創(chuàng)建簡(jiǎn)約版酵母

一條完整的真核線型染色體，通常包含一個(gè)用于染色體分離的著絲粒和兩個(gè)用于保護(hù)染色體末端的端粒。

為實(shí)現(xiàn)2條染色體的融合，不僅僅需要將2條染色體的2個(gè)端粒去除后相互連接起來，同時(shí)還需要將2條染色體中1條的著絲粒去除，從而保證染色體在細(xì)胞分裂過程中正常的分離。

論文中提到，在染色體融合操作中，需遵循一些標(biāo)準(zhǔn)和原則。為形成遺傳穩(wěn)定的融合染色體和避免雙著絲粒染色體的形成，每次融合過程需同時(shí)去除1個(gè)著絲粒和2個(gè)端粒。研究團(tuán)隊(duì)用CRISPR–Cas9系統(tǒng)和酵母強(qiáng)大的同源重組活性開發(fā)了一種精確的染色體融合方法。

最后剩下的唯一1個(gè)著絲粒的位置大致要處于最后一條染色體的中間，從而保持染色體兩臂平衡。同時(shí)，每個(gè)著絲粒和端粒的去除都要避免影響相鄰基因，和端粒相關(guān)的超過2kb的長(zhǎng)段重復(fù)序列需刪除，避免在錯(cuò)誤位點(diǎn)潛在的同源重組。

此外，染色體融合的順序是隨機(jī)的。先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)表明，8對(duì)染色體隨機(jī)融合都能成功，最終獲得的菌株和野生型酵母菌株一樣生長(zhǎng)強(qiáng)勁，暗示酵母細(xì)胞可以適應(yīng)2條染色體的隨機(jī)融合。

在上述原則下，研究團(tuán)隊(duì)將VII染色體和VIII染色體首先融合，獲得的酵母菌株命名為SY0。在融合過程中，VII染色體右臂的端粒和與端粒相關(guān)的長(zhǎng)段重復(fù)序列被去除，VIII染色體左臂的端粒和與端粒相關(guān)的長(zhǎng)段重復(fù)序列也被去除，同時(shí)VIII染色體的著絲粒被去除。

在同樣的融合策略下，進(jìn)行了15輪染色體端-端融合，最終獲得酵母SY14菌株，僅含有1條巨大的線型染色體。

從2013年實(shí)驗(yàn)正式啟動(dòng)到酵母SY14菌株的成功獲得，研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)4年時(shí)間。

值得一提的是，從融合順序來說，相比于覃重軍等人的融合，杰夫?博克團(tuán)隊(duì)采用的方式略有差異。

杰夫?博克團(tuán)隊(duì)首先將所有的小染色體融合到了一起，獲得帶有12條染色體的酵母。隨后通過進(jìn)一步的融合，獲得帶有8條染色體的酵母。依次類推，最終獲得了帶有兩條染色體的酵母。

在整個(gè)染色體融合過程中，杰夫?博克團(tuán)隊(duì)始終保證所獲得的染色體在長(zhǎng)度上是接近的。不過，在最后一步將2條染色體融合成一條的過程中，盡管經(jīng)過了很多次的嘗試，他們始終無法獲得存活的，僅有1條染色體的細(xì)胞。

戴俊彪表示，杰夫?博克團(tuán)隊(duì)無法將兩條染色體融合成一條的原因依然未知，也許通過比較帶有兩條和一條染色體酵母的差異，可以幫助解決這個(gè)問題。

覃重軍則著重提到，“除了端粒、著絲粒，我們還把其中一些重復(fù)序列去掉了。另外，我們?cè)?jīng)也出現(xiàn)染色體融合之后酵母就不生長(zhǎng)的情況，核查之后發(fā)現(xiàn)還是在操作上出現(xiàn)了誤差，把著絲粒附近重要的基因損傷了。”這些或許是染色體融合成功與否的關(guān)鍵。

人工改造的簡(jiǎn)約版生命依舊可以存活

成功獲得SY14菌株之后，覃重軍團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步與合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙國(guó)屏研究組、中科院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所周金秋研究員研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院趙志虎研究員等團(tuán)隊(duì)合作。

合作團(tuán)隊(duì)隨后深入鑒定了SY14的代謝、生理和繁殖功能及其染色體的三維結(jié)構(gòu)。

研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)創(chuàng)建的帶有1條染色體的菌株進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)目減少后的細(xì)胞在形態(tài)上和帶有16條染色體的野生型類似，在生長(zhǎng)上僅出現(xiàn)較小的差異。染色體數(shù)目的減少僅導(dǎo)致少量的基因表達(dá)發(fā)生差異。

“從單獨(dú)的生長(zhǎng)、繁殖來說基本上是正常的，繁殖很多代也很穩(wěn)定。明顯的問題是把帶有1條染色體的菌株和野生型的酵母細(xì)胞混合在一起培養(yǎng)，一代一代傳代之后會(huì)發(fā)現(xiàn)，含有16條染色體的野生型酵母會(huì)越來越多，只有1條染色體的酵母會(huì)越來越少?！瘪剀姳硎?。

上述現(xiàn)象意味著，在自然競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)下，帶有1條染色體的人工改造過的酵母菌株相對(duì)于野生型是弱勢(shì)的。

另外，染色體融合后存在的最明顯的變化是染色體的三維結(jié)構(gòu)。

野生型酵母染色體在細(xì)胞核中可以形成較為穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，其特征是所有的著絲粒會(huì)聚集在一起，位于細(xì)胞核的一端。而所有染色體短臂的端粒和長(zhǎng)臂的端粒都會(huì)聚集在一起，位于細(xì)胞核的核膜附近。

人工創(chuàng)建的單條線型染色體的三維結(jié)構(gòu)則因著絲粒、端粒等的大量去除發(fā)生了巨大變化。論文中提到，由于失去了所有和著絲粒相關(guān)的染色體間相互作用、大部分和端粒相關(guān)的染色體間相互作用，以及67.4%的染色體內(nèi)的相互作用，16條天然線性染色體融合到單個(gè)染色體中導(dǎo)致了染色體的整個(gè)三維結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。

該項(xiàng)工作表明，天然復(fù)雜的生命體系可以通過人工干預(yù)變簡(jiǎn)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。

趙國(guó)屏認(rèn)為，這項(xiàng)工作的意義，首先證明帶有1條染色體的酵母和野生型并沒有太大的差別，僅有一條染色體的酵母是可以存活的。

“第二點(diǎn)，染色體融合之后最大的改變是染色體三維結(jié)構(gòu)的變化，此前認(rèn)為染色體的三維結(jié)構(gòu)變化會(huì)很大地影響生物體發(fā)揮功能，但現(xiàn)在看來沒有那么大的影響?！壁w國(guó)屏表示，“第三點(diǎn)是從進(jìn)化上來說，研究證明了1條染色體的真核細(xì)胞是可以存在的，但它相比16條染色體的酵母還是有缺陷，這或許能解釋為什么在真核生物進(jìn)化的過程中，我們現(xiàn)在看到的幾乎都是多染色體?！?

趙國(guó)屏強(qiáng)調(diào)，基于合成生物學(xué)的研究實(shí)際上就相當(dāng)于“建物致知”，“我們 通過建設(shè)一個(gè)物品來增加我們的認(rèn)識(shí)?！?

值得一提的是，釀酒酵母通常還是研究染色體異常的重要模型，其1/3基因和具有23對(duì)染色體的人類基因同源。覃重軍等人的創(chuàng)建的簡(jiǎn)約版酵母將來或?yàn)楸姸嘌芯空n題提供模型。

以端粒為例，端粒是線型染色體末端的保護(hù)結(jié)構(gòu)，人類的過早衰老與染色體的端粒長(zhǎng)度直接相關(guān)。隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加，端粒的長(zhǎng)度逐漸縮短，當(dāng)端粒變得不能再短時(shí)，細(xì)胞就會(huì)死亡。此外，端粒的縮短還與許多疾病相關(guān)，包括基因突變，腫瘤形成等。

與天然酵母的32個(gè)端粒相比，覃重軍等人人工創(chuàng)造的單條線型染色體僅有2個(gè)端粒，為研究人類端粒功能及細(xì)胞衰老提供了很好的模型。

趙國(guó)屏介紹，未來研究團(tuán)隊(duì)會(huì)圍繞染色體結(jié)構(gòu)功能進(jìn)一步研究。

戴俊彪也提到，帶有1條或者2條染色體的酵母，可以作為一個(gè)新的研究平臺(tái)，增進(jìn)我們對(duì)染色體重組、復(fù)制和分離機(jī)制的解析，具有重要的意義。此外，兩項(xiàng)研究的結(jié)果也說明釀酒酵母對(duì)染色體的長(zhǎng)度沒有限制（至少可以長(zhǎng)達(dá)12Mbp），這為利用酵母構(gòu)建高等生物的新染色體提供了理論依據(jù)。

記者 賀梨萍