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我们要创造人工生命,人造人前传

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-10-20 08:23

上个月,叫兽君的朋友圈被一则“中国科学家再造人工合成生命”的新闻刷屏了。该报道称,中国科学家以“史无前例”的姿态,用封面文章的形式,在顶级期刊《科学》杂志上同时发表了4篇论文。论文称科学家们从头编写了一种真核生命——酿酒酵母的DNA,从而创造了人造的真核生命。

在科幻和动漫作品中,不乏对人造生命的想象。

合成生物学何以美丽? 《定量生物学》专刊聚焦合成生物学最新动态

英国《自然·通讯》杂志22日发布了Sc2.0(真核生物酵母人工基因组合成)国际合作计划的一系列最新成果:多国科学家将基因组重排系统应用于酵母的合成染色体,加快了酵母菌株演化。这些合成生物技术的最新进展不但能推进人类药物合成进程,还将进一步加强我们对生命过程的调节和控制能力。

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《Science》专刊封面。那些长得像草又像蘑菇的棒状物是酵母的染色体,而那些金色的部分是人工合成的染色体。人工合成的染色体结构和遗传信息与天然的染色体相似,例如我们都可以看到一圈圈缠绕在一起的像电话线一样的DNA。图片来自:《science》杂志

龙珠里的人造人军团。

最近多个合成生物学方向成为刷爆朋友圈的火爆话题,来自Zhang Feng和James Collins合作开发的基于Cas13a实现单分子检测核酸检测 1,来自天津大学、清华大学、深圳华大基因研究院完成4条真核生物酿酒酵母染色体的人工合成2,实现了合成生物学新的突破,那么究竟合成生物学是什么?合成生物学区别于其他学科的关键点在哪里?合成生物学主要涉及哪些方向?由北京大学汤超与清华大学张奇伟教授主编的《Quantitative Biology》杂志,聚焦合成生物学领域,推出合成生物学专刊。正如专刊特别编辑Cheemeng Tan在前言中指出3,合成生物学区别于其他领域,最重要的两点便是,首先,如何合理和定量的控制生物系统从而不受环境(environmental context)的干扰?其次如何自上而下的设计和编程新的生物系统?

酿酒酵母是第一个被全基因组测序的真核生物,但其需要经过一定改造才能产出特定产物或忍耐严酷的工业条件。而所谓基因组重排系统,旨在通过重排合成染色体上的基因,形成大量的遗传多样性。之后人们可以根据期望的目标,如改进产物合成,来筛选所得的菌株。对于单倍体酵母而言,如果删除了关键基因,也许会杀死原本可能多产的菌株。

得知此消息的朋友们纷纷跑来向我求证,说这回中国科学家又搞了个大新闻啊,连合成生命都开始搞了?这个人造的酵母到底有啥用啊?甚至有人感到了恐慌——这次搞了个酵母,下回是不是要做人造人了?当然,也有好多人问我要人工合成生命女神的电话…

龙珠

简而言之,合成生物学便是基于这两点思路,然后在包括开发新型生物治疗细胞、疾病的诊断、代谢工程的开发等多方面大放异彩。

为了解决这个问题,美国纽约大学朗格尼医学中心研究团队让包含合成染色体的酵母与野生型酿酒酵母或近亲的奇异酵母(S. paradoxus)杂交。这样得到的二倍体后代比单倍体菌株更强健,能在42℃高温和高咖啡因条件下生长。

betway必威官网手机版 2“人造生命女神”、2号染色体合成文章第一作者,华大基因合成与编辑平台负责人沈玥博士和她的小伙伴们

星球大战前传2 克隆人的进攻,克隆人军团方队绝对是最震撼的场景之一。

专刊从四个方面分别对合成生物学进行了介绍,具体内容详见《Quantitative Biology》2017年3月发表的专辑:

在另一项研究中,英国帝国理工学院团队将SCRaMbLE系统应用在一个携带完全合成染色体V的酵母菌株上,以改进药物合成,使该酵母菌株代谢另一种糖源。研究人员将青霉素的生物合成途径添加到该酵母上,并利用SCRaMbLE系统对酵母基因组加以处理,最终使其生产率较过去增加两倍。他们还通过SCRaMbLE系统推动了酵母菌株利用木糖生长(木糖广泛存在于植物中)。

大新闻是咋回事?

这次报道的主角——人工合成酵母基因组项目(Sc 2.0项目),旨在重新设计合成一个真核单细胞微生物——酵母的16对染色体,即合成世上首例人造酵母。这个项目是由杰夫•博克(Jef Boeke)教授发起,多国团队共同参与的国际项目。截止目前,科学家们一共合成了16对目标染色体中的6对半。这次《科学》杂志以专刊形式报道的就是其中5条合成染色体的最新研究进展。专刊中有4篇文章是中国科学家的工作成果,说明中国在合成生命的科研领域已经走在了世界的最前列。此处应真心的为中国的科学团队点赞!

betway必威官网手机版 3迄今为止人类已合成的酵母染色体示意图。左边是用合成酵母和野生酵母菌落画出来的染色体示意图,金色的是含合成DNA的酵母菌落,蓝色则是野生的。大家数一数,看看现在有多少条是合成了的,多少条是还没合成的?图片来自:《science》杂志

星球大战前传2 克隆人的进攻  剧照

betway必威官网手机版,2012年,中美联合推动Sc2.0国际合作计划,并由中国科学家人工合成16条酿酒酵母染色体中的4条,占国际已完成数量的66.7%。《自然·通讯》此次发布的一系列论文合集,都是关于重新设计酵母基因组的实验成果,随附的评论文章肯定了该进展对于合成生物学、生物技术以及基因组认知的潜在应用和影响。

科学家是直接合成出一个酵母吗?

很遗憾,由于细胞的成分结构太复杂,科学家还无法通过化学方法直接合成出细胞的全部成分。但是没关系,也没有必要重新合成那么多复杂的东西。有更简单直接的办法——合成操纵着生命核心密码的DNA。首先,科学家们用电脑程序重新设计了酵母菌的DNA序列,然后通过化学合成的方式合成出寡核苷酸链(就是超级短的DNA)。因为化学合成越长的DNA越容易出错,成本很高,穷苦的科学家们hold不住啊。所以只能先合成短的DNA,再像拼积木一样拼接出长的DNA。你问为什么不直接化学合成全部DNA?我只能告诉你…
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完成这一步之后,再把酵母体内天然的DNA替换为合成的DNA,就算完成了人造生命。当然,现在我们只完成了一部分染色体的合成,等16对染色体全部合成完毕,将它们整合进一个酵母中,形成完整的“人造基因组”,才能最终诞生真正意义上的人造酵母。

 

betway必威官网手机版 5人造酵母染色体合成流程示意图。首先使用化学合成方法合成一系列长度60-80个碱基对的寡核苷酸链。由于相邻的寡核苷酸链被设计为部分重叠互补,可以使用PCR反应将这些寡核苷酸链组装成750个碱基对长度的building block。将buildingblock导入酵母中,利用酵母的同源重组能力将building block组装成2-4千个碱基对长的minichunk。再将minichunk放到同一个酵母中,再次利用酵母的同源重组能力,将天然的DNA逐步替换为合成的DNA。对于每个合成的染色体,具体的方法有所差异与创新,但大体思路相同。有兴趣的小伙伴可以阅读文献中的方法。图片引用自:Annaluru,N., Muller, H., Mitchell, L. A., Ramalingam, S., Stracquadanio, G., Richardson,S. M., . . . Chandrasegaran, S. (2014). Total Synthesisof a Functional Designer Eukaryotic Chromosome. Science, 344(6179), 55-58.doi:10.1126/science.1249252

“云图”里的克隆人服务员。

噬菌体是病毒的一种,特别之处在于以细菌为宿主,曾经在验证遗传物质究竟是蛋白质还是DNA上扮演重要的角色。而如今,在合成生物学领域,噬菌体越来越多的扮演了重要的角色。越来越多的目光被投入到噬菌体上,通过合成生物学的手段合理的改造,从而实现抗感染治疗。

人造酵母和天然的酵母有啥区别?

很多人可能会想,既然咱们能创造生命,是不是想造啥就造啥了?对于这样的问题,我只能默默流泪:生命的机制非常的复杂,科学家还远没有弄懂它的作用机制。因此,人造酵母的设计和构建还得参照自然界的酵母,而且,也得保证合成的酵母能表现出与天然的酵母相似的功能。
那么,人造酵母和自然界的酵母真的没有区别吗?当然不是,在尽量模拟自然界酵母的基础上,科学家们在合成的DNA上做了一些细微但重要的改变。例如,科学家们去除了DNA上一些他们认为无用累赘的序列,作了一些遗传密码的同义改写,并在基因上加入了一个“进化开关”,给每个合成酵母一次进化的机会。科学家们通过引入一种叫做SCRaMbLE的进化系统(图4),在经过诱导之后,能使每个酵母细胞的全部基因像洗牌一样发生一次随机的重新排列。这就给人工合成的酵母菌带来了无限的可能,让酵母菌在这无限的可能中找到更好的自己。

betway必威官网手机版 6SCRaMbLE 系统示意图。SCRaMbLE的全称是Synthetic Chromosome Rearrangement and Modification by LoxP-mediated Evolution,能够像洗牌一样随机打散染色体上所有基因的排列布局。图中绿色的菱形就是“进化开关”,诱导之后染色体会随机发生重排、删除等变异,变异出不同的酵母。图片引用自:Dymond, J., & Boeke,J. (2012). The Saccharomyces cerevisiae SCRaMbLE system and genomeminimization. Bioengineered Bugs, 3(3), 168-171. doi:10.4161/bbug.19543

云图 剧照

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合成的酵母有什么用?

说了这么多,那合成这样一个人造酵母有什么用呢?首先,合成酵母最直接的作用就是让人类更好的认知生命。大家可能觉得基因组学和分子生物学发展的那么迅猛,科学家们应该很了解生命了,那么按图索骥的合成一个生命应该也没什么难度。但是生命的复杂性就像女朋友的心,你以为你对她很了解,但是当你给她买口红的时候,你才发现…
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了解生命对于科学家来说就像了解女朋友,不敢说我们对她的了解一定是正确的——只有当合成生命按照我们预想的方式运作时,才能证明我们对生命的认识无误。因此,科学家才期待通过研究人造酵母,找出更多与天然酵母不同的地方,从而更好了解女朋友(大误)的本质。
其次,合成的酵母菌本身也有巨大的应用潜力。人类已经利用酵母做了几千年的啤酒、面包和馒头,在基因工程技术的帮助下,可以利用改造的酵母做更多的事情,例如生产抗体、靶向药物、酵素(酶)、味精等等。这里不得不提到诺贝尔奖的明星——青蒿素。2013年,杰伊•凯斯林(Jay Keasling)等人在酵母体内加入一系列基因,使其获得青蒿素前体的合成能力,产量高达惊人的25g/L,大大降低了青蒿素的生产成本,提高了生产效率。利用类似的思路,科学家可以将人造酵母打造成一个“细胞工厂”,可以用来生产香水、合成药物、生产清洁的能源物质,甚至带来更多超越想象的新应用,更好的为人类服务。
最后,酵母菌的合成本身就是一种科学技术的突破。科学家从合成最简单的病毒开始,到支原体菌,再到酵母菌,一步步克服了大小和复杂程度上质的区别。就像制造黑白手机、彩屏手机和智能手机一样,经过了一个又一个软件和硬件突破原有技术障碍、逐步升级的过程。掌握了酵母菌的合成技术,合成更高等的生命也就不再是梦想了。

有人甚至统计过动漫中人造人的出现次数:

改造噬菌体实现更广泛的宿主4

酵母造完了,还有人造人吗?

从古至今,创造生命就是一个人们津津乐道又争议不断的话题。在各民族的神话里,创造生命都是神灵的工作。然而,从合成病毒到合成原核微生物再到正在合成的人造酵母,这些曾经遥不可及的神话如今却逐渐成为现实。当人类破译更多真菌、植物,以及动物的遗传密码,可能,在不远的将来,合成第一棵人造植物,第一只人造萌宠,甚至人造人都会成为可能。但是,合成生物学的飞速发展也带来了伦理和生命安全上的隐忧。如同所有科技都拥有两个面,人造生命既能成为对人类有益的“细胞工厂”,也可能被利用来生产具有潜在危害的物质。如何监管这样的合成生命,维护人类的安全也是一个沉重但不容忽视的话题。
人造生命是一条充满希望又饱受争议的荆棘之路。叫兽君认为,不管争议如何,科学家对于合成生命的探索应当在合理的规范和监管之下,一往无前的继续走下去。很期待合成酵母之后,不远的将来能够看到更多有趣的合成生命诞生。
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(编辑:明天,题图来源:syntheticyeast.org)  

对现代人来说,像电影动漫那样,用人造生命为自己提供服务似乎遥不可及。

Brown等人综述了合成生物学如何推动噬菌体治疗的工作,重点讨论了噬菌体宿主范围扩大、减少噬菌体治疗副作用和利用噬菌体对细菌进行修饰等多方面的进展。同时基于单细胞显微镜技术,Guan等人使用CRISPR/Cas系统实现了对噬菌体降解的定量。5

参考文献:

  1. Annaluru, N.,Muller, H., Mitchell, L. A., Ramalingam, S., Stracquadanio, G., Richardson, S.M., . . . Chandrasegaran, S. (2014). Total Synthesis of a Functional DesignerEukaryotic Chromosome. Science, 344(6179), 55-58. doi:10.1126/science.1249252
  2. Cello, J.,Paul, A. V., & Wimmer, E. (2002). Chemical synthesis of poliovirus cDNA:generation of infectious virus in the absence of natural template. Science,297(5583), 1016-1018. doi:10.1126/science.1072266
  3. Dymond, J.,& Boeke, J. (2012). The Saccharomyces cerevisiae SCRaMbLE system and genomeminimization. Bioengineered Bugs, 3(3), 168.
  4. Dymond, J. S.,Richardson, S. M., Coombes, C. E., Babatz, T., Muller, H., Annaluru, N., . . .Boeke, J. D. (2011). Synthetic chromosome arms function in yeast and generatephenotypic diversity by design. Nature, 477(7365), 471-476.doi:10.1038/nature10403
  5. Gibson, D. G.,Glass, J. I., Lartigue, C., Noskov, V. N., Chuang, R. Y., Algire, M. A., . . .Venter, J. C. (2010). Creation of a bacterial cell controlled by a chemicallysynthesized genome. Science, 329(5987), 52-56. doi:10.1126/science.1190719
  6. Hutchison, C.A., Chuang, R.-Y., Noskov, V. N., Assad-Garcia, N., Deerinck, T. J., Ellisman,M. H., . . . Venter, J. C. (2016). Design and synthesis of a minimal bacterialgenome. Science, 351(6280). doi:10.1126/science.aad6253
  7. Jackson, D. A.,Symons, R. H., & Berg, P. (1972). Biochemical Method for Inserting NewGenetic Information into DNA of Simian Virus 40: Circular SV40 DNA MoleculesContaining Lambda Phage Genes and the Galactose Operon of Escherichia coli.Proc Natl Acad Sci U S A, 69(10), 2904-2909.
  8. Mercy, G.,Mozziconacci, J., Scolari, V. F., Yang, K., Zhao, G., Thierry, A., . . .Koszul, R. (2017). 3D organization of synthetic and scrambled chromosomes.Science, 355(6329). doi:10.1126/science.aaf4597
  9. Mitchell, L.A., Wang, A., Stracquadanio, G., Kuang, Z., Wang, X., Yang, K., . . . Boeke, J.D. (2017). Synthesis, debugging, and effects of synthetic chromosomeconsolidation: synVI and beyond. Science, 355(6329). doi:10.1126/science.aaf4831
  10. Paddon, C. J.,Westfall, P. J., Pitera, D. J., Benjamin, K., Fisher, K., McPhee, D., . . .Newman, J. D. (2013). High-level semi-synthetic production of the potentantimalarial artemisinin. Nature, 496(7446), 528-532. doi:10.1038/nature12051
  11. Richardson, S.M., Mitchell, L. A., Stracquadanio, G., Yang, K., Dymond, J. S., DiCarlo, J.E., . . . Bader, J. S. (2017). Design of a synthetic yeast genome. Science,355(6329), 1040-1044. doi:10.1126/science.aaf4557
  12. Shen, Y.,Stracquadanio, G., Wang, Y., Yang, K., Mitchell, L. A., Xue, Y., . . . Bader,J. S. (2016). SCRaMbLE generates designed combinatorial stochastic diversity insynthetic chromosomes. Genome Res, 26(1), 36-49. doi:10.1101/gr.193433.115
  13. Shen, Y., Wang,Y., Chen, T., Gao, F., Gong, J., Abramczyk, D., . . . Yang, H. (2017). Deepfunctional analysis of synII, a 770-kilobase synthetic yeast chromosome.Science, 355(6329). doi:10.1126/science.aaf4791
  14. Wu, Y., Li,B.-Z., Zhao, M., Mitchell, L. A., Xie, Z.-X., Lin, Q.-H., . . . Yuan, Y.-J.(2017). Bug mapping and fitness testing of chemically synthesized chromosome X.Science, 355(6329). doi:10.1126/science.aaf4706
  15. Xie, Z.-X., Li,B.-Z., Mitchell, L. A., Wu, Y., Qi, X., Jin, Z., . . . Yuan, Y.-J. (2017).“Perfect” designer chromosome V and behavior of a ring derivative. Science,355(6329). doi:10.1126/science.aaf4704
  16. Zhang, W.,Zhao, G., Luo, Z., Lin, Y., Wang, L., Guo, Y., . . . Dai, J. (2017).Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome. Science,355(6329). doi:10.1126/science.aaf3981

 

但实际上,就在今年春天,顶级自然科学期刊《Science》发表了一系列文章,其中中国科学家团队人工合成4个酵母染色体。这个成果大大加快了人造生命实现的步伐。

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其实,人们对人工再造生命的探索由来已久,而且从未停止。

在细菌中CRISPR/Cas系统明显降解了入侵的噬菌体DNA

早年,人们以为生命的存在需要一种神秘的能量。组成生命的物质——有机物中存在“生命力”,只能在生物体内产生,而能够人工合成的物质只有没有“生命力”的无机物。

基因表达控制与DNA纳米技术

1828年,一个偶然发现发现打破了无机物和有机物之间的鸿沟,德国化学家维勒发现无机物异氰酸铵可通过重排反应形成有机物尿素。从此,大量有机物相继被人工合成。维勒的导师,著名化学家贝采里乌斯曾因此写信问他能不能在实验室“制造出一个小孩”,结果“一语成谶”。

除了承载遗传信息之外,DNA由于特异的碱基互补配对的特性,从而可以实现有效的不同结构的自组装,基于自组装从而可以进行复杂的逻辑运算。通过金属离子、短肽甚至蛋白的帮助,从而可以设计蛋白实现复杂的纳米结构和纳米机器,早在十几年前,Yurke等人便提出了toehold介导链置换反应的概念,从而实现了动力DNA纳米技术。

参与生命活动最重要的物质是蛋白质和核酸。核酸是生命遗传信息的载体,负责指导全部生命活动,而蛋白负责生命活动过程的主要执行者。如果要人工制造生命,就先制造出核酸和蛋白质。

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人工合成蛋白

甚至于设计的toehold RNA可以用于控制基因的转录表达:

1953年,米勒用放电实验在实验室中生成蛋白的基本单元——氨基酸。(随即,50年代末,Merrifield发明了将氨基酸脱水缩合成多肽的多肽固相合成法。)(正文内,括号中的内容比较专业,不看不影响理解。

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60年代,德国、美国和中国的三支团队相继独立完成牛胰岛素的合成。其中,钮经义领导的中国科学家团队得到了牛胰岛素的结晶,具有生物活性,这是生物领域建国初期国内最为人所知的科研成就。然而人工合成蛋白成本很高,无法大规模使用,这项消耗巨大的成果对科研的贡献十分有限,这也是未能获得诺贝尔奖的原因。(现在基本用生物方法制造蛋白,大致过程是将所需蛋白的DNA序列转入活体大肠杆菌、酵母菌或者昆虫细胞,用细胞内蛋白表达系统合成蛋白。)

通过引入taRNA,当taRNA不存在的情况下,RBS由于被自身序列形成二级结构从而无法与核糖体结合,而当引入taRNA,taRNA含有与RBS互补序列配对的序列,从而释放RBS,实现基因的表达。

米勒 放电实验

Choudhary等人则综述了RNA结构谱方面的最新进展,包括如何利用NGS数据预测RNA二级结构。

人工合成核酸

合成生物学里面的一个关键问题便是基因线路的设计,利用人为设计的基因元件从而实现定量控制,并且可以揭示潜藏的生物现象背后的机制。 Sadeghpour等人在专刊中讲述了一个很有趣的故事,通过引入合成生物学基因线路从而实现双稳态互移植的微生物群体。6

核酸是核苷酸(通过磷酸二酯键)相连形成的链式分子,科学家们半个多世纪的不懈努力已经使得人工合成DNA相当廉价而且快捷。

CRISPR大放异彩的发现以及酵母染色体合成的新突破等多个领域的工作已经成为了合成生物学的缩影,可以想象,我们目前正处在类似于从物理知识储备到电气化发展的关键节点,目前随着人类对生命现象的逐步了解,越来越多的技术将逐步走进千家万户,真正的大幕才刚刚拉起!

1958年,英国剑桥大学Todd实验室首次合成含有两个核苷酸的分子。1973年8月,Khorana等合成了一个(总长126bp的)(bp 碱基对)大肠杆菌(酪氨酸tRNA)基因,但并没有转录功能。5年后,同一团队合成具有生物活性的(酪氨酸tRNA)基因。随后,Lestinger与Caruthers研制出自动合成DNA序列的技术,使人工合成DNA效率成倍增长。(现在,合成1OD引物的价格甚至不到1元/1bp。)

  1. Gootenberg, J. S. et al. Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2. Science . doi:10.1126/science.aam9321.

  2. Dai, J., Cai, Y., Yuan, Y., Yang, H. & Boeke, J. Whole genome synthesis: from poliovirus to synthetic yeast. Quantitative Biology 5, 105–109 .

  3. Tan, C. Special collection of synthetic biology, aiming for quantitative control of cellular systems. Quantitative Biology 5, 1–2 .

  4. Brown, R., Lengeling, A. & Wang, B. Phage engineering: how advances in molecular biology and synthetic biology are being utilized to enhance the therapeutic potential of bacteriophages. Quantitative Biology 5, 42–54 .

  5. Guan, J., Shi, X., Burgos, R. & Zeng, L. Visualization of phage DNA degradation by a type I CRISPR-Cas system at the single-cell level. Quantitative Biology 5, 67–75 .

  6. Sadeghpour, M., Veliz-Cuba, A., Orosz, G., Josi?, K. & Bennett, M. Bistability and oscillations in co-repressive synthetic microbial consortia. Quantitative Biology 5, 55–66 .

人工合成基因组

《Quantitative Biology》是由教育部主管,高等教育出版社和清华大学共同主办的英文学术期刊。本刊主编由来自美国德州大学达拉斯分校/清华大学的张奇伟教授和北京大学的汤超教授担任。

当时间跨入21世纪,人类终于实现了完整合成基因组。2003年12月,Craig Venter等合成了噬菌体(φX174)的基因组,并且,将这个“人造”基因组“注射”进细菌后,产生了新的噬菌体。虽然这个病毒的基因组仅有5386bp(人类基因组约3,000,000,000bp),但这是人类合成的第一个完整而且有生理活性的基因组。

QB 始终秉承力争成为国际知名的生命科学与计算机、数学、物理等交叉研究领域一流学术期刊的理念,报道生命科学的定量研究和系统整合的前沿热点,特别关注系统生物学,合成生物学,生物信息学以及计算生物学领域的最新研究成果和前沿进展,推动定量生物学领域科研水平提升。

Craig Venter合成噬菌体基因组流程

2013年创刊,季刊,全球发行,Free Access出版模式。目前被Chemical Abstracts Service , Google Scholar, OCLC, Summon by ProQuest,CSCD(中国科学引文数据库)核心库等收录。

这种从零开始,“做加法”的研究思路逐渐受到重视,并形成了一门新学科:合成生物学。2004年6月,第一届合成生物学国际会议在美国麻省理工学院召开。

文章信息请登录期刊官网:

2010年,Craig Venter的实验室人工合成了第一个具有全人造基因组的活细胞。Venter合成了支原体Mycoplasma mycoides)的基因组,并在另一种支原体(M. capricolum)细胞中成功复制、翻译并传代。(他们实现这项工作用了15年。支原体是能独立生存的基因组最小的生物,但其中500多个编码蛋白的基因中,有100多个非必需基因。好奇的科学家们想知道基因组到底能删减到多少。于是决定人工合成基因组。首个人工合成的细胞基因组总长1,077,947bp。先人工合成长约1000bp的DNA序列,然后用大肠杆菌和酵母菌逐级拼接DNA片段,最终得到完整拼接的基因组。)

Craig Venter合成支原体基因组流程

人工合成染色体

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2014年,英国、法国、美国和印度的十四家学术机构合作,成功合成1条酵母染色体。酵母是一种真核生物,有16个染色体。 (本次人工合成的三号染色体有316,617bp。该染色体序列的“原型”是酵母“天然”的三号染色体序列,人工删除掉“非必需”序列后,用化学方法合成和拼接,然后分段替换酵母菌中的三号染色体的相应片段,最终将这条天然染色体序列全部替换为人工合成序列。)

2017年,在多国科学家的通力合作下,再成功合成5条酵母染色体,其中中国科学家合成其中4条。

“人造人”的未来

迄今为止,仅仅合成了6条酵母染色体,似乎人造人“登场”还早得很,但实际并非如此。虽然酵母总共有16条染色体,而且,现在仅仅人工合成了基因组,让基因组有序运转的蛋白、细胞膜和细胞器仍然需要借助现有的生物体内的组分。但随着技术飞速发展,人工制造细胞各种组分肯定不是遥不可及。而且技术一旦成熟,就会迅速发展,合成余下染色体的时间肯定不会太久。人也是从一个细胞发育来的,当能够人工合成一个细胞的时候,“人造人”还会远吗?

虽然“人造人”肯定会有巨大的伦理压力,但人造生命的研究仍然需要继续。著名物理学家理查德•费曼有一句著名的格言:“What I cannot create, I do not understand”。如果能彻底了解生命的奥秘,就能够更好地利用生命为自己造福。比如:

1,改造生物体,利用生物进行工业生产。例如:青蒿素是治疗疟疾的特效药,但如果从青蒿中提取,原料消耗很大,成本居高不下。现用人工手段改造酵母染色体,使酵母能产生青蒿素,生产成本大大降低。

2,器官移植。国内每年约150万人需接受器官移植,但仅1万能得到所需的器官。巨大的供需落差也带来严重的社会问题。而且就算器官移植成功,也常常需要终身服药减弱排异反应。若能利用人工手段,用患者自己的基因制造器官,必将是巨大的福音。

3,疾病研究。利用合成生物学手段构建人类发育和代谢模型,并以此研究人类疾病发生和发展的机理,能为疾病预防和治疗奠定理论基础。

然而,这也可能带来灾难。当一种全新的生物进入生态循环,可能带来生态灾难和恐慌。埃博拉病毒和寨卡病毒给全世界带来了巨大的恐慌,若恐怖主义者合成出杀伤力更大的人工病毒,后果不可想象。在科幻作品里,人造人巨大的破坏力常常给人深刻的印象,恐怕没人希望这种场面成真吧。

每一种新技术都是一把双刃剑,只希望当人类真的能够“制造”自己时,能够带来更多的福音,而不是灾难。

参考文献:

我们要创造人工生命,人造人前传。1, Daniel G. Gibson et al. Construction of a yeast chromosome. Nature, 2014.

2, Daniel G. Gibson et al. Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science, 2010.

3, Clyde A. Hutchison III et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome.  Science, 2016.

4, Weimin Zhang et al. Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome. Science, 2017.

5, Hamilton O. Smith et al. Generating a synthetic genome by whole genome assembly: φX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. PNAS, 2003

6, Clyde A. Hutchison III et al. Global Transposon Mutagenesis and a Minimal Mycoplasma Genome. Science, 1999.

7, Narayana Annaluru et al. Total Synthesis of a Functional Designer Eukaryotic Chromosome Science, 2014.

8, Takao Sekiya et al. Total Synthesis of a Tyrosine Suppressor Transfer RNA Gene. The Journal of Biological Chemistry, 1979.

9, 百度百科,萌娘百科等。

10,中国科学院官网。

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