Nature：构造酵母染色体
合成生物学的目标之一就是构建那些复杂的人工合成有机体。目前，在酵母细胞中已经取得了阶段性的进展——采用分段式方法，研究者已经可以将整个酵母染色体转化成为合成序列了。
生物细胞其实很像是一台计算机——基因组可以比作软件，它负责对细胞的构成进行编码，细胞器则犹如计算机的硬件，负责读取并运行软件的命令。DNA技术的进展使得这个领域的科学家能够以生物学“软件工程师”的角色来进行工作，把新的生物“运行系统”装载到细胞中去。的确，就在2010年，蕈状支原体（Mycoplasma mycoides）的整个基因组被人工合成的基因组所取代，从而产生了第一个合成细胞。如今，Annaluru等人在《科学》（Science）杂志上发表了文章，描述他们的小组是如何开始重写更加复杂的有机体——酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的基因组的。研究者们在文章中叙述了他们怎样在这个酵母中设计并构建出具有功能的合成染色体，这是他们将近十年的研究过程中里程碑式的成果。
著名的理论物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）曾说过：“我不能创造出来的东西，我就无法理解。”这句话激发了来自全世界各地的合成生物学家的灵感。当然，这并不意味着我们对于可以创造出来的东西就一定能够完全理解。事实上，在我们建立DNA的能力与我们对DNA的编码能力及内容的理解之间还存在着巨大的差距。在酵母（这是第一次在真核生物里实现这一创举，真核生物包括植物、动物及真菌）中构建合成染色体代表着我们正在缩小这种差距的路上迈出了一步。构造酿酒酵母这种被广泛用作模型有机体的合成染色体之所以具有如此重大的意义，是因为这使得科学家可以借以研究在真核细胞内生命维持的必需条件，因为合成有机体可以很容易地被人工操控。
可以说，这项研究起始于计算机，Annaluru及其同事们利用计算机下载了共享的酿酒酵母（S. cerevisiae）染色体的DNA序列（染色体III）。接下来，他们设计了相关的遗传改变，犹如对计算机软件进行编辑，从而将特异性的改变引入到染色体中去。这些编辑包括删除可有可无的DNA序列；使用特别序列进行标记，以使研究者能够区分天然DNA和人工改造的DNA；以及使用另一段DNA序列代替旧有的具有基因转录功能的DNA序列，并执行旧有DNA序列原本的功能。
此外，研究者通过引入特定的基因信号，去除掉那些非必需DNA序列，从而使得染色体大小得以缩减。这样可以帮助研究人员确定为发挥某一生物功能，或在某种特定生长条件下有机体生存所需的最少基因序列数量。这个信息是很关键的，因为这可以让我们更具有预见性地去书写生物学“软件”，从而保证合成细胞最终可以有效的运行“软件”所编写的程序。
Annaluru及其同事为了构建合成染色体，把设计的DNA序列打断成相互重合的长度为70个核苷酸的若干片段，采用化学合成方法合成。来自约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）修读“建立一个基因组（Build-a-Genome course）”课程的学生们负责运用DNA组装方法把这些DNA片段重新串连成一条大约3000碱基对长度的DNA序列。
接下来，通过一次把12段彼此重合的3kb长的合成片段引入到酵母细胞内，连续进行11次整合，原有的染色体序列完全被合成DNA序列所替代。
这一整合成果是包含了基因工程染色体III所有序列并和原有天然酵母一样生长的酵母菌株。273kb长度的合成染色体包含超过50,000个序列改变，并且比原有天然序列缩短了14%。
这一研究的意义在于，它回答了长久以来一直没有答案的问题：基因组设计如何可以在真核细胞模型中利用生物学规则在基因水平加以操控。例如，基因片段间多余的DNA序列是否可以被去除？不必要的遗传密码是否可以被改写？Annaluru研究小组对酵母所做出的序列改变到目前为止还没有显示出有任何不良的结果，这也预示着未来研究中对基因序列进行修改的可行性。
如果两个或以上的基因拥有同样的功能，那么是否意味着其中有的是可以被删除的？在酵母基因组中那些被认为是多余的序列，哪些是可以同时被去除的？研究者已经开始把那些可以同时去除，而不会给酵母的生长带来负面影响的基因罗列出来。回答这些基本问题，是合成酵母小组研究者们的一个目标，他们还同时对大肠杆菌（Escherichia coli）做相似的研究，以期根据这些研究结果更好地了解如何构建只含有维持生命所必需的基因的细菌基因组。
两个原核生物基因组在此前曾经用化学合成方法制得——长度为583kb的生殖器支原体（Mycoplasma genitalium）及长度为1,078kb的蕈状支原体（M. mycoides）基因组——可见合成一个长度为273kb的染色体本身并没有什么可大惊小怪的。生殖器支原体和蕈状支原体基因组都被整合入酵母内进行培养，作为额外的染色体而存在。就如同苹果软件在安装了Windows操作系统的电脑上无法兼容一样，合成的细菌基因组也无法启动酵母细胞内的系统，因此在酵母细胞内环境中无法产生可以自我复制的子代细胞。通过基因组移植（genome transplantation），所有细菌基因组都必须携带可兼容的“硬件”进入到细菌主体内，从而将受体细胞转化成新的合成细胞（图.1a）。与之不同的是，Annaluru等分阶段逐渐将天然酵母染色体转化成为具有完备功能的合成染色体，这一切都在靶细胞——酵母细胞内完成（图.1b）。
Nature：构造酵母染色体
图1|构建合成基因组。a，构建合成细菌细胞，整个合成细菌基因组在酵母细胞内整合完成。在这种情况下，细菌基因组是没有活性的，因为酵母细胞缺少启动细菌基因表达的蛋白质。当合成完成后，合成基因组被转导至具有兼容性的细菌受体细胞内，在那里被启动并产生合成细胞。b，与a不同，Annaluru等人则是在酵母细胞内构建合成性酵母基因组。他们用分步方法使天然基因组被合成DNA代替，从而达到了这一目的。
与蕈状支原体细胞完全合成不同的是，染色体III只占酵母基因组的不到3%。现在的问题是：这些设计规则是否可以适用于整个酵母基因组？事实上，在合成百分之百的重组酵母基因组之前，想要获得合成酵母细胞的科学家还有很长一段路要走。然而，通过证实他们的设计原则的可行之处，以及整合了来自全世界各地的科学家们致力于构建另外15个染色体，Annaluru的团队可以说已经为今后最终实现他们的目标打下了坚实的基础。
这些已经取得的成果对整个合成生物学界都是巨大的鼓舞。每一个新的成果不仅仅让我们更加了解了生物学本身，同时也为我们指明今后研究得方向和可能的方法，让研究者坚定地在合成生物学领域里走下去——并坚信这将对整个社会产生积极的影响。
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项目成果
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