科普丨我国科学家“编写生命密码”意味着什么?

  • 2017-04-17 09:43
  • 来源: 经济参考报

  中国科学家近日利用化学物质设计并合成了4条酵母人工染色体,国际顶级学术期刊《科学》3月10日以封面文章形式重磅推出一组相关论文,《科学》编辑评价这项研究是“里程碑式的成就,会给生命科学领域带来广泛而深远的影响”。

  这项突破为何引起科学界的瞩目?中国在相关领域的研究处于什么位置?人类真的可以创造生命了吗?本报记者采访相关科研人员作出解读。

  

  基因组合成是“编写生命密码”

  

  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活体真核染色体,得到的酵母基因组有着高度活性。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,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“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,研究人员还要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的认识。

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

  中国在该领域仅次于美国

  酵母人工基因组设计合成(Sc2.0)是一个国际合作计划,由美、中等多国科学家共同发起,我国承担了其中近40%的工作。在已完成的6条染色体的人工设计与合成中,我国科学家完成了4条,占三分之二。

  “Sc2.0计划的实施是基因组编写计划的重要基础。”元英进说。他是该计划的国际倡导者及中国最早参与者。

  同时,完成这些工作是我国在合成生物学领域取得的突破性成果,进一步奠定了我国在这一领域的国际地位。事实上,此次研究突破之后,我国成为了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。

  杨焕明曾参与2000年的人类基因组测序计划,在那个计划中,中国承担了1%的测序任务。“我们原来只是认识自然,现在开始重新设计自然,当然目前只是根据自然规律重新设计一部分。”杨焕明说。

  华大基因研究院合成生物学项目负责人沈玥说,我国科研人员的贡献率高,同时自主开发了一系列技术方法为研究提速,充分说明在基因组设计合成领域,中国已经进入世界领先水平。

  

  从治疗癫痫到除霾

  有望解决人类面临的各种难题

  

  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特性,另一方面,化学合成酵母通过基因组重排系统,可以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。

  清华大学生命科学学院研究员戴俊彪介绍,掌握了基因组合成技术,意味着对生命本质已经具备非常深入的认识,对于未来的基因诊疗、生物改造甚至创造新的生命形式有着开创意义。

  “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失活点,有望治疗因染色体异常而导致的发育异常。

  此外,酿酒酵母本身有着巨大的工业开发潜力。沈玥介绍,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,科学家希望利用基因合成技术,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。

  在国外,相关技术已经成为绿色生物制造产业高速发展的引擎。据了解,美国杜邦公司构建了合成重大化工产品的人工细胞工厂,并成功实现了产业化,该技术可将能耗和温室气体排放均降低40%。

  

  复制猛犸象?

  离“创造生命”还有很长的路

  

  在真核生物基因组合成取得重大突破的同时,以美国为主的科学家已经把目标瞄准人类基因组的合成。2016年6月《科学》曾发布“人类基因组编写计划”,在全球范围内引发关注和热议。

  “该计划的实施将进一步加深对生物进化和生命本质理解,或对人类社会演化轨迹具有颠覆性作用。”元英进说。

  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,找到导致细胞致死、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。

  不过,科研人员也表示,人类基因组远比酵母基因组复杂,目前虽然完成了测序,但实际上仍存在大量认知空白。重新“编写”的困难,或许不亚于让石器时代的原始人谱写一曲交响乐。

  更难的还有“无中生有”地创造生命。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”:风格可以有很大变化,但还是原来的房间,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,之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。

  “这就意味着复制猛犸象的可能性目前微乎其微,因为即便我们能重新编写猛犸象的基因组,我们也还找不到可以匹配的细胞。”戴俊彪说。

  

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责任编辑:徐梅

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