「定制生物」的明天

更新時間：2022-05-02 17:23:34 所屬欄目：基因組 作者：楊希香

科學家們幾乎已經為一種微生物完成了全部基因組的合成，這種微生物已經被用于面包、啤酒、葡萄酒超過5000年，這使得人類涉足新生物領域鋪平了道路。

圖片來源：Science

這項關于酵母的工作極大地提升了研究人員合成基因組的能力。過去的基因修改只改變少量的基因，這種新方法使得科學家們能夠完全重構整個基因組。利用這種方法，他們可以剪切掉多余的和不穩定的基因片段（通過數百萬年的進化積累），并向基因組中添加新的DNA。

該研究使科學家們進一步理解了關于DNA在生命體中作用方式的基本問題，該技術也使得「定制」微生物、植物甚至是動物成為可能。這些生物體將被創造出來滿足特定的人類需求，它們的基因組能夠使它們生成藥物和疫苗，將廢物轉化為能量，甚至是培養用于移植的人類器官。

在《Science》上發表的一系列研究中，紐約大學Jef Boeke領導的合成酵母項目團隊描述了他們如何使用計算機設計天然的面包酵母攜帶的16個染色體。為了實現這個目標，他們利用G, T, C 和 A鹼基對基因組進行了大量更改，移除他們認為沒有用處的基因片段。最終的基因組比自然界中的基因組短8%。

圖片來源：Science

之后科學家們利用實驗室中的化學物質建造了其中的5個染色體。自從論文被提交到《Science》之后，至少有10個酵母染色體被構造出來，超過了酵母染色體的一半數量。其中一個染色體包含超過100萬個鹼基，是迄今為止最長的合成染色體。

愛丁堡大學的基因科學家Patrick Yizhi Cai說，這些染色體從DNA片段創建，這些片段被一個接一個地加入到酵母細胞中以測試它們是否有用。同時，染色體中所有的天然DNA被合成DNA替換掉。Cai將這個過程類比為一段一段地替換書中的文字，直到最終改變了整個篇章。

現在，設計和構造基因組的技術既費錢又費時間。合成酵母菌的所有DNA要花費125萬美元，至少需要一年時間才能合成一個染色體。研究人員們希望能夠大幅度降低費用。

Boeke說，酵母的全部16條染色體將在今年年底被植入細胞中并測試。攜帶全部合成染色體的酵母細胞將在2018年實現。最終的設計方案包括一條全新構造的額外的第17號染色體，重要的蛋白質生成部分被加入到這個染色體的一個位置上。

雖然科學家們過去為細菌和病毒構造過基因組，但是這項研究中關注的酵母是更復雜的生物體，它擁有明確定義的細胞核。這些細胞屬于真核細胞，植物、動物和人類的細胞都也屬于真核細胞。

科學家們為酵母DNA構建的特征之一是可以隨意改變基因組。研究人員們將用這種方法制造擁有全新DNA的酵母細胞，使它們具有一些有用的特征，比如改善生長，或者高溫下生存。

帝國理工學院的合成生物學研究人員Paul Freemont將這項工作稱為「對化學合成生命藍圖能力的極大提升」。

他說：「這對于我們合成基因組并將其植入細胞中來說是具有變革性的一步。我們將擁有攜帶人類設計的染色體的酵母細胞?！?/p>

研究人員們已經開始討論接下來為什么生物構造基因組了。候選項包括線蟲類、植物甚至是哺乳動物細胞。最終，很可能會向豬等動物中加入人類設計的基因組，使其能夠生成適合人類手術移植的器官。哺乳動物細胞已經被用于生成胰島素等藥品。

今年五月，Boeke和其他研究人員將舉辦會議討論構造人類基因組。如果科學家們能夠掌握如何構成人類基因組，他們就有可能制造出對病毒有抵抗力的用于醫療的人類細胞。

帝國理工學院的另一位研究人員Tom Ellis說，最近的這些論文表明，完整的合成真核細胞基因組已經不遠。他說：「我們將更加了解生物學，也將設計出自然界中不存在的『超能力』特性。這將加快進化的過程?！?/p>

最終，研究人員們希望能夠足夠理解基因組，從而構造具有特定特征的全新基因組。Cai說：「做個比較，未來的瓶頸將不在于如何列印一本書，而在于我們想寫出來什么。理想的情況下，我們要從頭開始寫一本全新的『書』?！?/p>

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