人类离“再造生命”又近一大步

3月9日，清华大学生命科学学院戴俊彪博士在展示培养皿中的酿酒酵母菌株。

　　3月9日，天津大学化工学院副教授李炳志、清华大学生命科学学院研究员戴俊彪博士、华大基因理事长杨焕明院士、天津大学化工学院教授元英进、深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沈玥（从左至右）在清华大学合影。 新华社记者 沈伯韩摄

　　戴俊彪博士团队成员在清华大学生命科学学院实验室内进行实验（2016年4月1日摄）。

　　新华社发

　　3月10日，深圳华大基因研究院团队部分成员在该研究院实验室里合影。新华社发

　　生命可以设计和再造吗？我国科学家利用化学物质合成了4条人工设计的酿酒酵母染色体，标志着人类向“再造生命”又迈进一大步。研究结果10日以封面文章的形式在国际知名学术期刊《科学》上发表，我国也成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家。

　　酿酒酵母是生物遗传学研究的一个重要模式生物。以合成型酿酒酵母染色体为研究对象，可以加快在基因组重排、环形染色体进化领域的研究进度，为人类环形染色体疾病、癌症和衰老等提供研究与治疗模型。

　　2012年开始，天津大学、清华大学和深圳华大基因研究院与美国等国家的科研机构共同推动了酵母基因组合成国际计划（Sc2.0），旨在对酿酒酵母基因组进行人工重新设计和化学再造。我国科学家此次成功合成的4条酿酒酵母染色体，占Sc2.0计划已经合成染色体的三分之二。

　　从“读”到“写”

　　生命认识的巨大飞跃

　　来自天津大学、清华大学和深圳华大基因研究院的研究人员介绍，这项研究利用小分子核苷酸精准合成了有活性的真核染色体，得到的基因组可以很好地调控酵母的功能。

　　同时，合成的染色体经过精致的人工设计：删除了研究者认为无用的DNA，加入了人工接头，总体长度比天然染色体缩减8％。

　　“人工合成染色体的价值，在于实现对基因的操控。”天津大学化工学院教授元英进说，如果合成的染色体与所取代的天然染色体完全相同，仅仅是“知其然”，但重新设计了染色体并确保细胞活性，说明研究人员已经开始“知其所以然”。

　　2010年，美国科学家首次将人工合成的基因组植入一个原核细菌，开启了化学合成生命的研究大门。不过，包括动物、植物和真菌在内的真核生物，其染色体更加复杂，设计与合成的难度也更高。

　　元英进说，此次研究解决了合成单细胞真核生物的基本科学问题，为未来设计、构建复杂的真核生物细胞提供了更多知识储备。

　　中国科学院院士杨焕明介绍，在掌握了基因序列的秘密之后，研究人员还将通过对染色体的设计、构建、测试一系列过程，来验证和修正对基因组的认识。

　　“如果说基因组测序是‘读懂生命密码’，基因组合成就是在‘编写生命密码’，从读到写，是一个巨大飞跃。”杨焕明说。

　　“生命2.0”

　　有望解决人类医学难题

　　由于酿酒酵母是遗传学研究常用的一种模式生物，人工合成的酿酒酵母染色体，能够为癫痫、癌症、智力发育迟缓和衰老等人类面临的医学难题提供研究与治疗模型。

　　元英进举例说，利用酵母菌细胞可以研究染色体异常，如果找到并修复细胞的基因组失活点，有望治疗因染色体异常而导致的发育异常。

　　“如同建房子，人类从天然洞穴起步，建筑材料越来越好，形式越来越美。生命也是一样，通过人工设计、化学再造，未来可以想象有2.0、3.0，版本越来越高。”元英进说。

　　此外，酿酒酵母本身有着巨大的工业开发潜力。华大基因合成生物学项目负责人沈玥说，应用生物技术，酿酒酵母理论上可以合成人类赖以生存的一切有机物。比如，用酵母菌合成青蒿素已经产业化，成本远低于传统的植物提取。但由于酿酒酵母比较脆弱，对环境的要求严苛，其应用范围一直受限。

　　杨焕明认为，当科学家完全掌握了设计、合成酿酒酵母染色体的技术后，可以更便捷地改进酿酒酵母适应环境的能力，让发酵罐生产出更多样化、成本更低廉的食物和能源等。

　　“试想有一种细菌，能把垃圾快速分解，或者把霾全部吸收。”清华大学生命科学学院研究员戴俊彪说，科学家希望利用合成生物技术，解决污染、能源短缺等人类面临的难题。对酿酒酵母染色体加入更多设计，能帮助研究人员理解更多的生物学问题。

　　创造生命

　　目前还做不到“无中生有”

　　不过，虽然此次人工合成的酿酒酵母染色体有着精巧设计，它们仍然是天然染色体的模仿品。“我们对生命的了解还远远不够，还做不到‘无中生有’。”戴俊彪说。

　　戴俊彪将之比作“二手房装修”：风格可以迥然一变，但房间还是原来的房间，并非从零开始盖房。

　　另外，科学家目前着力于设计和建构染色体，然后将人工合成的染色体植入原有的天然细胞中。“如果细胞不匹配，就好比拖拉机发动机安装在小轿车上。”戴俊彪说，若要重新设计、建构整个细胞，还有非常漫长的一段路要走。

　　元英进说，通过此次研究，把非生命的化学物质组装成染色体，找到导致细胞死亡、细胞失活、生长缺陷的各项关键要素，未来有望实现人工设计与合成的突破。

　　新华社记者 陈芳 董瑞丰

　　（据新华社北京3月10日电）

　　“人工合成酵母基因组计划”完成过半

　　中国科学家完成最新成果中的五分之四

　　新华社华盛顿3月9日电（记者 林小春）“人工合成酵母基因组计划”研究人员9日宣布，他们又完成了真核生物酿酒酵母5条染色体的从头设计与全合成工作，且分析显示全合成染色体具备完整的生命活性。至此，这一项目的进程已经过半，科学家在合成复杂人工生命的道路上取得了重大进展。

　　最新研究成果当天以7篇论文的专刊及封面文章形式在美国《科学》杂志上发表。

　　“人工合成酵母基因组计划”是人类首次尝试改造并从头合成真核生物，旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体，其中最小一条已于2014年宣布完成。由于染色体有大有小，已设计并合成的染色体条数虽不及总数的一半，但整体工作量已经过半。

　　该项目由美国国家科学院院士杰夫·伯克发起，美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作，希望通过对酿酒酵母的改造，更加透彻地了解机体的生物学机制、生物学反应、对环境的适应性、进化过程等，从而更好地解决人类面临的身体健康、能源短缺、环境污染等问题。

　　在最新发布的成果中，中国科学家领衔完成了5条染色体中的4条。其中，天津大学元英进教授带领的团队完成了5号、10号染色体的化学合成，并开发了高效的染色体点突变修复技术。清华大学戴俊彪研究员带领的团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体的全合成。深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体的合成及有关分析。

　　元英进此次以唯一通讯作者身份发表了2篇论文。他在一份声明中说：“作为真核生物的重要模式生物，化学合成酵母一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题，另一方面可以通过基因组重排系统实现快速进化，得到在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。”

　　华大基因与爱丁堡大学共同完成2号染色体的从头设计与全合成，并成功将其导入酵母细胞。合成酵母菌株展现出与野生型高度相似的生命活性。他们的分析还表明，人工设计合成的酿酒酵母基因组具有可增加、可删减的高度灵活性。

　　项目国际协调人、英国爱丁堡大学团队带头人蔡毅之教授对新华社记者说，他们的工作是迈向设计并合成复杂人工生命目标的一大步。简单来讲，就好像重新设计计算机的操作系统，但没有改变屏幕、鼠标等硬件。

　　2010年，美国科学家克雷格·文特尔曾宣布，以支原体基因组为模板，培育出第一个由人工合成基因组控制的细胞，引起广泛关注。蔡毅之说，他们工作的复杂性远远超过文特尔的工作。文特尔单枪匹马独自做，基本上是复制支原体基因组，成果并不开源；而他们是国际合作，从头设计酵母染色体，有许多编辑删改工作，成果对所有人开放。

　　蔡毅之还透露，最新发布的论文是2015年投寄的，他们目前实际上已经完成了70％的酵母染色体设计及合成工作，预计接下来一两年就能完成整个项目，“这是一个将来会进入教科书的里程碑式工作”。

　　清华大学研究组

　　人工合成全球最长真核线性染色体

　　本报讯（记者 任敏）昨天，从清华大学传来好消息，该校生命科学学院戴俊彪研究组成功实现酿酒酵母12号染色体的人工设计与合成，这是目前世界上发现的最长真核线性染色体，全长为976067个碱基。相关研究结果已于昨天在国际知名期刊《科学》上发表，题为《在百万级碱基量级合成染色体上编辑核糖体DNA》。

　　能否在实验室构造具有生命特性的细胞一直是生命科学研究领域一个重要挑战。

　　最近，来自美国、中国、英国、澳大利亚和新加坡的科学家形成国际联盟，共同开展第一个真核生物——酿酒酵母基因组的重新设计与建造，该项基因组工程被简称为Sc2.0。Sc2.0计划通过对酿酒酵母基因组的设计、合成以及改造，以期能从全基因组水平更透彻地理解遗传物质发挥功能的生物学机制、遗传信息的传递与调控，从而帮助人类有目的地设计和改造生命体，实现预设功能，有效解决目前面临的环境污染、粮食短缺等重大挑战。

　　在Sc2.0计划中，戴俊彪课题组主要负责攻克16条染色体中长度最长、功能最为特殊的12号染色体的人工合成。天然酿酒酵母12号染色体长度约为250万个碱基对，包括长约109万个碱基对的染色体以及一个由约150个重复单元组成的编码核糖体RNA区域。后者形成了细胞核内一个特殊结构——核仁。

　　戴俊彪研究组基于原始碱基序列设计出新的碱基序列，并通过自主开发的分层组装和后续改造方案最终获得可在酿酒酵母体内正常发挥功能的合成12号染色体（synXII），并对12号染色体上编码核糖体RNA的DNA序列（rDNA）开展了一系列工程化改造。

　　12号染色体的合成首次采用了分级组装的策略：首先，通过大片段合成序列，在六个菌株中分别完成了对染色体不同区域内源DNA的逐步替换；然后，利用酵母减数分裂过程中同源重组的特性，将多个菌株中的合成序列进行合并，最终获得完整的合成型染色体。

　　专家表示，12号染色体的合成表明中国的学者能设计并构建获得含有百万级碱基的合成染色体，奠定了未来对其他超大、结构超复杂的基因组进行设计与编写的基础，同时也证明了酵母基因组中编码核糖体RNA区域及其他序列均具有惊人的灵活度与可塑性。

　　当日，来自清华大学、天津大学和华大基因的中国科学家一共在《科学》杂志上发表4篇长文，分别介绍了4条真核生物酿酒酵母染色体的设计与化学合成，酿酒酵母总共有16条染色体。

　　中国离世界生命科学巅峰有多远？

　　人工设计真核基因组，中国科学家领衔完成5条染色体中4条的化学合成……10日，国际知名学术期刊《科学》发表相关论文，意味着人类向“合成生命”的梦想迈进一大步。中国科学院有关负责人表示，生命科学关乎国民经济发展和人类文明进步，抓住百年一遇的机会，中国有望在新一轮科技革命中取得先机。

　　生命科学的新突破，始于基因组测序。完成人类百分之一基因组测序，水稻基因组测序，家蚕、黄瓜等多个物种的基因组测序……破解基因组的“天书”越来越频繁，经过多年来积蓄发力，中国生命科学研究硕果涌现。

　　从科技进展来看，绝大部分重要的物种未来都将完成基因组测序，海量的数据产出成为常态。搭建组学数据库，实现海量信息的存储、整合及共享成为一项重要任务。

　　记者采访了解到，目前，中科院北京基因组研究所已经初步建成生命与健康数据汇交与共享平台，围绕国家精准医学和重要战略生物资源的组学数据，建立了海量生物组学大数据储存、整合与挖掘分析研究体系。

　　“基因组学提供的海量信息，可以用来判断癌症的发生原因、发展状况和可能的变化趋势，并可依据已知的基因序列和功能设计药物。”北京基因组研究所专家表示，中国作为基因组学研究的重要力量，在国际舞台上持续发挥着重要作用。

　　中科院院士杨焕明说：“如果说基因组测序是‘读懂生命密码’，基因组合成就是在‘编写生命密码’，从读到写，是一个巨大飞跃。”

　　2000年公布的人类基因组测序，中国只承担了百分之一的工作。“这次我们完成了酿酒酵母染色体合成的四分之一，不难看出我们在生命科学研究领域的巨大进步，今后‘领跑’不是不可能。”杨焕明表示。

　　作为生命科学的重要前沿，合成生物学能解决能源、材料、健康和环保等问题，对人类认识生命、重新设计及改造生物具有重大的科学意义。

　　合成生物学在21世纪初逐步走向生命科学研究的前沿。科技部有关人士表示，我国的研究还处于起步阶段，但在生物学相关技术的研究与应用方面，如基因组测序技术、DNA合成技术、基因组改造技术、系统生物学、生物信息学等已经有了许多积累，有些领域与发达国家处在同一起跑线上。

　　在谈到哪个生命科学领域将率先取得重大突破并对人类健康做出重大贡献时，诺贝尔奖得主、美国生物学家戴维·巴尔的摩指出，基于基因的一系列治疗方法，将像IT技术改变全球人类生活那样，在未来极大地改善人类健康、提高生命质量。

　　从人类基因组计划开始，生命科学研究不断提速。能否抓住机遇，投射了一个国家的综合实力和战略决断。

　　科技部不久前发布的2016年度中国科学十大进展中，生命科学就占了6个。它们分别是：揭示水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制，提出基于胆固醇代谢调控的肿瘤免疫治疗新方法，揭示核糖核酸（RNA）剪接的关键分子机制，发现精子RNA可作为记忆载体将获得性性状跨代遗传，构建出世界上首个非人灵长类自闭症模型，揭示胚胎发育过程中关键信号通路的表观遗传调控机理。

　　以增加知识价值为导向的分配政策制定出台,科技计划管理改革取得决定性进展,科技成果转化等重点领域改革取得实质性突破，让科技人员获得感进一步增强。一些国际科学界的生命科学难题，经我国科学家努力，有望取得越来越多的实质性突破。

　　新华社记者 陈芳 董瑞丰

　　（新华社北京3月10日电）