在人們實(shí)現大腸桿菌（Escherichia coli）質(zhì)粒的人工設計與合成的四十多年后，紐約大學(xué)的一支團隊實(shí)現了真核生物的染色體全合成——他們集結各方的科研力量，耗時(shí)七年，終于合成出了人工染色體synIII，并成功在釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中發(fā)揮功能。這一里程碑式的成果于3月28號發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
酵母在生物醫藥和生物工程上的應用相當廣泛——它們不僅像大腸桿菌一樣易于培養又不含內毒素（大腸桿菌因為含有內毒素，而被禁止用于部分藥物的生產(chǎn)），而且作為真核生物，其表達分泌系統也更加完善。在此之前，酵母人工染色體大多是稍作改裝后的穿梭載體，各方面性能都不如synIII。人工合成的染色體將大大簡(jiǎn)化今后的工作，更便捷地改變真核工程細胞的特性。除開(kāi)科研外，還會(huì )給許多行業(yè)帶來(lái)福音：如果能提高它們對產(chǎn)物的耐受性，或者對不同條件的溫度和pH的適應度，那么生物制藥和能源等產(chǎn)業(yè)將大大受益。
這個(gè)團隊的領(lǐng)導人是杰夫·伯克（Jef Boeke），他是紐約大學(xué)朗格尼醫學(xué)中心系統遺傳學(xué)研究所的主任。研究所構建的這個(gè)染色體是基于釀酒酵母最小的3號染色體設計的，有27萬(wàn)多個(gè)堿基對，其中增刪了許多元件以讓其功能更安全、齊全。不過(guò)作為它的模板，3號染色體能控制酵母的有性生殖——這不利于外源性狀的整合。為了讓合成出的染色體不影響酵母的生長(cháng)繁殖，研究小組在其上的500多個(gè)地方進(jìn)行了修改，并利用大通量的篩選來(lái)測試其影響，最終得到效果理想的組合。在此基礎上，他們還刪去了原基因組中許多不具功能的區域，如非編碼區、假基因和轉座子。同時(shí)，研究團隊還在許多位點(diǎn)上進(jìn)行了序列的插入和增改，以讓它更穩定，更適合外源基因的插入。
與原核生物不同的是，真核生物的基因組更加冗雜?；蚪M不像大腸桿菌只有一個(gè)大環(huán)狀DNA，而是許多線(xiàn)狀的染色體；不僅在編碼基因的內部存在內含子，不同非編碼區擔負的功能也各異，更是有承擔著(zhù)絲粒、端粒等特殊結構的功能序列。如果各個(gè)片段的排布異常，染色體的結構可能會(huì )變得不穩定，從而容易丟失。這種復雜性無(wú)疑給真核染色體的合成增加了難度。這項研究的意義不僅在于能夠將人工設計的真核染色體進(jìn)行全合成，更重要的是，這一發(fā)生劇烈變化染色體能在酵母細胞中保留并發(fā)揮功能。這對今后重要的功能微生物的合成帶來(lái)了動(dòng)力。
研究過(guò)程中，科學(xué)家們借助電腦軟件設計出染色體的結構，隨后將其分成許多“構建單元”，即700至800堿基對左右相互覆蓋的DNA片段，分別合成；然后利用覆蓋區域的特異序列將它們逐個(gè)“粘合”。在框架搭好后，研究者們利用了“基因洗牌”的方法，將不同的基因片段隨機相互組合，并培養相應的酵母，通過(guò)它們的表現——菌落大小、生長(cháng)曲線(xiàn)，以及不同條件下的細胞形態(tài)——來(lái)判斷組合的優(yōu)劣，越接近野生的越好。
早在分子生物學(xué)興起的伊始，生物學(xué)家們就開(kāi)始嘗試構建模式生物作為研究工具——它們的遺傳背景清晰，且能夠相對便利地進(jìn)行基因操作，便于控制實(shí)驗變量。而作為原核生物的代表，大腸桿菌更是早早地被人攻破，很快成為最基礎的模式物種之一。真核生物雖然也有人工染色體，但由于其大多是改造的原有染色體，常常含有許多的冗余部分，比如假基因和轉座子。重新合成人工染色體，無(wú)異于從頭設計它應有的功能，便于科研人員更便捷地進(jìn)行功能基因組學(xué)的研究。而這項動(dòng)用了美、中、澳、新加坡和英國科研力量的大手筆，無(wú)疑是合成生物學(xué)上的里程碑。
伯克博士說(shuō)，這個(gè)團隊的下個(gè)目標是利用這次的經(jīng)驗，更快更好地合成酵母基因組中更大的染色體，同時(shí)在過(guò)程中加深對酵母不同基因功能的理解。
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