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人造單條染色體真核細(xì)胞問世 我國開啟合成生物學(xué)研究新時(shí)代
2018-08-02 22:11:07 來源: 新華網(wǎng)
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(新華全媒頭條·圖文互動)(1)人造單條染色體真核細(xì)胞問世 我國開啟合成生物學(xué)研究新時(shí)代?

  在中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi),覃重軍團(tuán)隊(duì)在一起學(xué)習(xí)交流(7月31日攝)。?新華社記者 丁汀 攝

  新華社上海8月2日電題:人造單條染色體真核細(xì)胞問世 我國開啟合成生物學(xué)研究新時(shí)代

  新華社記者王琳琳、張泉

 ?。保梗叮的?,我國科學(xué)家在世界上首次人工合成出與天然分子化學(xué)結(jié)構(gòu)相同、有完整生物活性的蛋白質(zhì)——結(jié)晶牛胰島素,開辟了人工合成蛋白質(zhì)的時(shí)代。

  50多年后的今天,我國科學(xué)家在最新一期國際科學(xué)期刊《自然》上發(fā)表論文,宣布首次人工創(chuàng)造出有生命活性的單染色體真核細(xì)胞,開啟了合成生物學(xué)研究的新時(shí)代。

(新華全媒頭條·圖文互動)(2)人造單條染色體真核細(xì)胞問世 我國開啟合成生物學(xué)研究新時(shí)代

  在中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所內(nèi),覃重軍(右)與團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室里交流(7月31日攝)。新華社記者 丁汀 攝

  人類能否創(chuàng)造生命?此次突破意義何在?

  人造纖維、人造衛(wèi)星、人造材料……在我們的潛意識里,只要是人造的東西都是沒有生命的。人類真能“創(chuàng)造”出生命嗎?

 ?。保梗梗赌?,克隆羊“多利”誕生。人們認(rèn)為,這就是所謂的“人造生命”。然而,科學(xué)共同體認(rèn)為,克隆僅僅是“復(fù)制”了已有的生命體,還不是真正意義上的“創(chuàng)造”。人造生命,應(yīng)該是利用生命體性狀由遺傳基因決定的原理,通過人工設(shè)計(jì)并合成新的遺傳基因,“從頭到腳”創(chuàng)造與地球現(xiàn)有生命體均不同的全新生命體。

  因此,從這個(gè)意義上講,“100%人造生命”還遠(yuǎn)未出現(xiàn)。但我國科學(xué)家的最新研究成果足以稱得上這條“長征路”上的重要突破,意義非凡。

  中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室覃重軍團(tuán)隊(duì)以釀酒酵母為實(shí)驗(yàn)對象,采用工程化精準(zhǔn)設(shè)計(jì)方法,使用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)對釀酒酵母16條染色體的全基因組進(jìn)行了大規(guī)模修剪、重新排列,最終“創(chuàng)造”了將幾乎所有遺傳信息融合進(jìn)1條超長線型染色體的酵母細(xì)胞。“體檢報(bào)告”表明,雖然動了“大手術(shù)”,但“全新版”酵母細(xì)胞的生長、功能和基因表達(dá)均與天然酵母相似。

  中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員戴俊彪認(rèn)為,這一結(jié)果表明,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)行人為改變,同時(shí)對細(xì)胞生長不造成顯著的影響。這顛覆了“染色體的天然三維結(jié)構(gòu)決定基因表達(dá)”的傳統(tǒng)觀念。

  與前人對單個(gè)染色體或一條長鏈DNA進(jìn)行小修、小補(bǔ)、小合成不同的是,業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為,該成果實(shí)現(xiàn)了對一個(gè)物種的染色體數(shù)目進(jìn)行系統(tǒng)和大規(guī)模改造。這表明,天然復(fù)雜的生命體可以通過人工改造變簡約,最終實(shí)現(xiàn)“人造”自然界中不存在的全新生命。

(新華全媒頭條·圖文互動)(3)人造單條染色體真核細(xì)胞問世 我國開啟合成生物學(xué)研究新時(shí)代

  在中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所內(nèi),覃重軍在講述關(guān)于人造單條染色體真核細(xì)胞的研究內(nèi)容(7月31日攝)。 新華社記者 丁汀 攝

  染色體數(shù)目“16合1”,目的何在?

  在生物教科書中,自然界中的生命體按細(xì)胞結(jié)構(gòu)劃分,可分為真核生物和原核生物。真核生物細(xì)胞通常有多條線型染色體,原核生物細(xì)胞一般有1條環(huán)型染色體。面包發(fā)酵和釀酒過程中使用的酵母是生物研究中最常使用的典型真核生物。

 ?。玻埃保衬辏翟拢溉眨剀姶竽懖孪?,真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的劃分并非“涇渭分明”,二者完全可以相互跨越。即,真核細(xì)胞也可以改造成1條線型、甚至是環(huán)型的染色體,裝載所有遺傳物質(zhì)、完成正常細(xì)胞功能。于是這一天,他將自己的猜想寫進(jìn)了筆記本。

  隨后,他與副研究員薛小莉設(shè)計(jì)了精準(zhǔn)的工程設(shè)計(jì)總體方案,博士生邵洋洋從2013年開始研發(fā)高效的染色體融合操作方法。2016年10月,團(tuán)隊(duì)成功合成出第一個(gè)單染色體真核酵母細(xì)胞,而后都在對其進(jìn)行“系統(tǒng)體檢”。

  自然科研機(jī)構(gòu)中國區(qū)總監(jiān)保羅·埃文斯說,盡管融合操作顯著改變了三維染色體結(jié)構(gòu),但經(jīng)證實(shí),改造后的酵母細(xì)胞出乎意料地穩(wěn)健,在不同的培養(yǎng)條件下,沒有表現(xiàn)出重大的生長缺陷。

  “天然酵母染色體的遺傳基因有許多重復(fù)序列,這增加了細(xì)胞的不穩(wěn)定性,容易導(dǎo)致突變或變異。而我們創(chuàng)造的全新酵母細(xì)胞刪除了這些重復(fù)序列,化繁為簡。”覃重軍說。

  他透露,將酵母染色體數(shù)量“16合1”的最終目的是發(fā)現(xiàn)自然界中復(fù)雜現(xiàn)象背后的規(guī)律內(nèi)核,最終用于治療人類疾病?!霸诒WC細(xì)胞正常存活的前提下,染色體數(shù)目簡化得越多,越容易更精準(zhǔn)地找到生命體的遺傳密碼到底哪些可變、哪些不可變。”

(新華全媒頭條·圖文互動)(4)人造單條染色體真核細(xì)胞問世 我國開啟合成生物學(xué)研究新時(shí)代

  在中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所內(nèi),覃重軍在講述關(guān)于人造單條染色體真核細(xì)胞的研究內(nèi)容(7月31日攝)。 新華社記者 丁汀 攝

  單染色體真核細(xì)胞已問世,然后呢?

  人工智能的到來引起了人類的恐慌,強(qiáng)大的機(jī)器讓人們擔(dān)心終有一天我們將被機(jī)器統(tǒng)治,而單染色體真核細(xì)胞的問世或許也會從另一個(gè)角度引起人們的憂慮。未來某一天,人類會不會創(chuàng)造出比自身更強(qiáng)大的生命?

  對此,覃重軍表示,目前人類對生命基因組遺傳密碼的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制所知甚少?!胺肿由飳W(xué)的發(fā)展讓我們對單個(gè)基因有了一定了解,但他們彼此間如何協(xié)作、又怎樣變化我們知道很少。目前,我們處在簡單模仿自然的水平,真的去創(chuàng)造尤其是脫離大自然的‘藍(lán)本’去創(chuàng)造幾乎不可能,所以距離‘100%人造生命’還差得很遠(yuǎn)?!?/p>

  大手筆改造酵母染色體基因組的過程中,覃重軍深深感慨于自然的神奇?!拔⑸锏淖兓浅??,你稍做改動,大自然就會以完全嘲笑人類理解能力的方式,變化出更多可能?!?/p>

  他認(rèn)為,科學(xué)家一定要有堅(jiān)定的倫理操守?!皥?jiān)決不能做致病生物的改造,因?yàn)槟悴恢雷罱K會出現(xiàn)什么結(jié)果。所以我們拿釀酒酵母這種可食用的微生物做改造,目的是找到阻止其變異、惡化的解決辦法?!?/p>

  酵母三分之一基因與人類同源,人造單染色體真核酵母細(xì)胞的誕生為研究人類染色體異常疾病提供了重要模型。端粒是染色體末端的保護(hù)結(jié)構(gòu),端粒的長短與過早衰老、基因突變、腫瘤等疾病形成有關(guān)。單染色體真核酵母細(xì)胞僅有2個(gè)端粒,這為研究上述疾病也提供了很好的研究基礎(chǔ)。下一步,科研團(tuán)隊(duì)將借助該模型研發(fā)人類染色體缺陷或倍增等相關(guān)疾病的治愈方法。

  此外,保羅·埃文斯認(rèn)為,人造單染色體真核酵母細(xì)胞也可成為研究染色體生物學(xué)基本概念的強(qiáng)大資源,包括染色體的復(fù)制、重組和分離,這些都是生物學(xué)領(lǐng)域十分重要的主題。

(新華全媒頭條·圖文互動)(5)人造單條染色體真核細(xì)胞問世 我國開啟合成生物學(xué)研究新時(shí)代

  在中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所內(nèi),覃重軍(右)與團(tuán)隊(duì)成員邵洋洋在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究交流(7月31日攝)。新華社記者 丁汀 攝

  “創(chuàng)造”單染色體真核細(xì)胞,合成生物學(xué)如何邁入新時(shí)代?

  人造生命對應(yīng)的學(xué)科叫合成生物學(xué)。如果說基因編輯還是對生命遺傳物質(zhì)的“小修小改”,那么合成生物學(xué)則是“推倒重來”。

  本世紀(jì)初,合成生物學(xué)在基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科基礎(chǔ)上逐漸形成。經(jīng)過多年不懈努力,我國已形成初具規(guī)模的合成生物學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì),一大批重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和研究中心相繼建立。

 ?。玻埃保纺辏吃拢瑖H學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》以封面文章形式發(fā)表了美、中、英等多國科研機(jī)構(gòu)共同參與的“人工合成酵母染色體項(xiàng)目”的部分成果,他們用化學(xué)方法合成了5條酵母染色體,其中,中國科學(xué)家合成了4條,相比“人類基因組計(jì)劃”中國科學(xué)家所承擔(dān)的1%基因測序有了大幅進(jìn)步。

  此次成果不僅完全由中國科學(xué)家獨(dú)立完成,而且對酵母全部16條染色體進(jìn)行大剪大拼,最終合成為1條,可謂在去年前人的工作基礎(chǔ)上又邁出了一大步。

  如果說在“人工合成酵母染色體項(xiàng)目”中,我國科學(xué)家扮演了“挑大梁”的角色,那么在此次“單條染色體真核酵母細(xì)胞”的合成中,我國科學(xué)家掌握了核心關(guān)鍵技術(shù),獲得了國際同行的廣泛認(rèn)可。

  接下來,合成生物學(xué)如何邁入新時(shí)代?覃重軍認(rèn)為,“思想上大膽創(chuàng)新+工程上精細(xì)實(shí)施”,是未來中國合成生物學(xué)取得重大突破不可缺少的兩大因素?!拔鞣胶铣缮飳W(xué)的研究模式強(qiáng)調(diào)精細(xì)化工程實(shí)施,但只有工程實(shí)施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,敢于跳出權(quán)威束縛、有原創(chuàng)思想引領(lǐng)才是保持領(lǐng)先優(yōu)勢的關(guān)鍵?!?/p>

  此外,業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)為,要對合成生物學(xué)可能帶來的負(fù)面影響與國際同行加強(qiáng)倫理討論、建立預(yù)警機(jī)制、完善監(jiān)管制度。生命是大自然的“作品”和生物長期進(jìn)化的結(jié)果。下一步,合成生物學(xué)要對生物種類、生命基因的改動設(shè)置明確的“紅色警戒線”,謹(jǐn)防破壞既有生態(tài)系統(tǒng)、引發(fā)生物安全風(fēng)險(xiǎn)。

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