合成生物學是一門神奇的學科，它可以讓我們用工程的思維，設計和制造出全新的生物體。如今，科學家已經成功地合成了酵母的全部 16 條染色體，并将其中一半放入了一個細胞中，創造出了一個半人工的酵母。他們還爲這個酵母設計了一條新的染色體，讓它基因組更加穩定的同時也能保證功能的完整。
這些成果是合成生物學的裏程碑，也是人類向完全人工合成的真核細胞邁進的一大步。
撰文 | 顧舒晨
2023 年 11 月 8 日，著名科學期刊 Cell、Molecular Cell 及 Cell Genomics 聚焦于同一主題，一口氣刊載 10 篇研究論文，介紹國際合作項目 " 人工合成酵母基因組計劃 "（Sc2.0）。這批成果由來自美國、中國、英國等國家的科研團隊共同完成，文章詳細報道了 8 條全新的酵母染色體的全面合成和一條轉運 RNA（tRNA）染色體的創新設計與合成。
至此，Sc2.0 已完成全部 16 條酵母染色體的人工合成，其中包括早先合成的 6 條以及尚未發表但已完成的 2 條染色體。科學家還将 7.5 條染色體成功地整合到了天然釀酒酵母的菌株中，這種半人工酵母擁有與野生的酵母菌株相似的生存和複制能力 [ 1 ] 。也就是說，一半天然、一半人工合成的酵母細胞問世！科學家還爲酵母細胞編寫設計了一條全新的染色體—— tRNA 染色體 [ 2 ] ，這爲創造出世界上第一個完全人工合成的真核細胞邁出了新的一步。
這些激動人心的成果，都屬于一個嶄新的學科——合成生物學。如今，前述這一系列突破，意味着人類已經從對少數基因的修補，發展到了能夠從頭設計和構建整個基因組。
合成生物學是什麽？
合成生物學是近年來異軍突起的新興前沿交叉學科，被認爲是繼 "DNA 雙螺旋發現 " 和 " 人類基因組測序計劃 " 之後的第三次生物技術革命。2004 年《麻省理工科技評論》把合成生物學評爲将改變世界的十大技術之一，2010 年 Science 也将其列爲十大科學突破第二名。
它以基因工程、系統生物學、計算機工程等多學科爲基礎，采用工程化的設計理念，對生物體遺傳物質進行設計、改造乃至全新合成，從而打破物種界限，創造人工生命體。合成生物學不僅有潛力幫助我們解決人類社會面臨的諸多挑戰，而且能讓我們從 " 造物 " 這一全新的視角，來揭開基礎生命科學的奧秘。
合成生物學的本質在于設計和創造，無論是 " 改造已有的天然生物系統 " 還是 " 設計和建造新的生物元件、裝置和系統 "，都是基于 DNA 進行的。合成生物學的一般過程是 " 設計 - 構建 - 測試 - 學習 - 再構建 " 的研究循環。
科學家會先使用計算機軟件輔助設計要合成的 DNA 構建。設計的 DNA 将被分爲 1 – 1.5kb 的可合成片段（synthons）。合成片段可以通過單鏈寡核苷酸進行組裝拼接合成，組裝成更大的 DNA 元件。組裝好的 DNA 需要進行兩步驗證：序列驗證和将其轉化到細胞後的功能驗證。根據驗證結果，進行修改，重複測試循環，直到獲得所需要功能的 DNA 構建體 [ 3 ] 。
然而，生命元件的組裝不像電路組裝那樣簡單。雖然我們知道，生命體中的所有生命元件都是由 DNA 翻譯而來，但我們對很多元件缺乏深刻的了解。這些元件的功能也可能會因爲時間、位置、條件等的不同而改變。因此，即使我們知道每一種元件的功能，當我們将這些不同的生物元件組裝起來以後，它們的功能也可能會缺失或者 " 互不兼容 "。
圖 1 合成生物學測試周期 [ 3 ] 。
2010-2020 年，随着生物技術和生物工程的發展，合成生物學飛速前進。2010 年，美國克雷格 · 文特爾研究所（J.Craig Venter Institute，縮寫 JCVI）的研究人員宣布構建出了第一個人造細胞—— " 合成支原體 "JCVI-syn1.0 [ 4 ] 。2021 年該項目的研究人員更是宣布，在 JCVI-syn1.0 的基礎上人工合成了僅有 473 個基因的 " 最簡化細胞 "JCVI-syn3.0 [ 5 ] 。雖然支原體是原核細胞，相對于真核細胞結構簡單很多，但支原體的人工合成依然激發了科學家的雄心， Sc2.0 計劃也由此開啓。
首次嘗試合成真核生物基因組
酵母是與人類生活關系非常密切的一類單細胞真核微生物，因爲其清晰的遺傳背景，酵母也成爲科學研究最常用的模式生物之一。早在 1996 年，科學家就完成了釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）全基因組測序，并發現該基因組總共約 6000 個基因，其中有 5000 個不是維持酵母生命活動所必需的，可以進行删減和改寫。
2007 年，紐約大學的傑夫 · 博伊克（Jef D.Boeke）教授發起了一個全球化的真核生物研究合作項目—— Sc2.0 計劃。該項目分布在全球許多國家，其中美國和中國分别占總合成的 28% 和 39%。2011 年，Sc2.0 計劃在美國、中國、英國、新加坡、澳大利亞等國正式啓動，該計劃旨在完成設計和化學再造完整的釀酒酵母的全部 16 條染色體，從而爲系統性研究真核生物染色體提供應用平台。這是人類首次嘗試對真核生物的基因組進行從頭設計合成 [ 6 ] 。
爲完成目标，研究人員将從頭開始合成酵母基因組，去除所有轉座子和重複元件，重新編碼終止密碼子，并将轉運 RNA 基因搬到全新的染色體上，同時還要避免引起适應性缺陷，并增加有助于染色體構建和操作的特征。在 Sc2.0 計劃的設計過程中，雖然對基因序列進行了堿基删除、插入和替換，但原則上仍要保持合成菌株與天然菌株的相同表型，同時也要保證基因組的穩定性。爲了增強遺傳靈活性，科學家也對野生型的基因組序列進行了優化 [ 6 ] 。
2014 年，博伊克教授領銜的研究團隊創建出了第一條人工酵母染色體（酵母染色體中最小的 3 号染色體） [ 7 ] 。2017 年，Sc2.0 計劃國際協作組宣布完成了三分之一酵母基因組的設計與全合成，Science 雜志以特刊形式進行了報道 [ 8 ] 。這标志着 Sc2.0 計劃向前推進了一大步。
現在，科學家已經完成了 16 條染色體的合成，并分别創造出了 16 種部分合成的酵母菌株，即每種細胞内包含 15 條天然染色體和 1 條合成染色體 [ 1 ] 。科學家還将含有不同合成染色體的酵母細胞進行雜交，并在其後代中尋找攜帶兩條合成染色體的個體，逐漸将人工合成的染色體組合起來，形成一個完全合成的新細胞。經過漫長的雜交過程，現在已有 6 條完整染色體和 1 條染色體臂整合到了同一個細胞中，由此産生的擁有 6.5 條人工染色體的酵母菌株中合成的 DNA 占比超過 31%，并且形态正常，與野生酵母相比，隻表現出輕微的生長缺陷 [ 1 ] 。
圖 2 掃描電鏡下，擁有 6.5 條合成染色體的酵母細胞，表現出正常的外形和出芽行爲 [ 1 ]
爲了增加染色體的置換效率，科學家還開發了一種高效的染色體置換的新方法。他們用這個方法轉移了酵母染色體中最大的染色體（4 号染色體，synIV），從而得到了一個擁有 7.5 條染色體的酵母細胞，其合成的 DNA 占比超過 50%。雖然該酵母的染色體發生了巨大變化，但它仍可以存活并且可以複制 [ 1 ] 。
Sc2.0 的主要目标之一是提高酵母基因組的穩定性。但天然的酵母細胞中有着大量的重複 DNA，它們不編碼任何東西，卻能通過自然過程相互重組，導緻基因組發生重大結構變化并變得不穩定。爲了更好地控制酵母細胞，Sc2.0 團隊用計算機程序梳理了酵母的基因組，找到高度重複的 DNA 區域并删除了它們，這其中就包括編碼 tRNA 的所有 DNA 片段。雖然這些 DNA 序列是不穩定的，但它們所編碼的 tRNAs 對細胞的功能至關重要。因此科學家将編碼 tRNA 的全部基因集中到了一條新染色體—— tRNA 新染色體上，再将其添加到完全人工合成的酵母細胞裏面 [ 2 ] 。這也爲研究人員更好控制合成酵母菌，以及探索生物學極限提供了一種新方法。
當然，這樣一個大體量的科研工程也并不是一帆風順的。在項目初期，科研團隊就經曆過項目技術研發的挫折，不僅碰到了複雜的序列，造成了合成的難度，也有因爲基因本身的編碼問題而導緻常規合成克隆無法完成。另外，當基因組越來越大時，如何進一步提升效率，降低成本，也是科學家們需要解決的問題。項目執行過程中最耗時耗力的部分還包括合成缺陷的定位與修複，這也是合成酵母基因組的最大難點之一。相比其它合成基因組，合成酵母中涉及的序列數量多且複雜，其缺陷排查工作就像大海撈針一樣，需要進行大量的驗證工作。但最終，多國科學家通過共同努力迎來了 Sc2.0 計劃的順利進展，而把所有人工染色體放入同一個酵母中将會是未來的一個新挑戰。
基于前期 Sc2.0 研究的順利進行，科學家也意識到我們可以對酵母基因組進行更深層次的改造，用以研究特定的生物學問題或者實現相關應用目标。因此，中國科學家戴俊彪研究員與英國曼切斯特大學的蔡毅之教授、美國紐約大學的博伊克教授共同牽頭發起了 Sc3.0 計劃。在該計劃中，科學家們将對酵母基因組進行更精簡和深度的設計，構建首個最小酵母基因組，用以探索重大的生物學問題，例如：有哪些酵母基因是可删減卻不影響活性的？它們在進化上的意義是什麽？在給定條件下，維持真核生命的最小基因組需要哪些功能、野生型基因組的組織形式是否具有重大的生物學意義、我們能否在基因組範圍内對基因的排布和調控進行人爲的設計，等等。Sc3.0 計劃的倡議和項目介紹也已于 2020 年刊發在 Genome Biology 雜志 [ 9 ] 。
現在人類已經能夠創造生命了麽？
不，目前我們僅僅隻是照着課本抄了一遍答案。本質上這種合成的酵母細胞并沒有脫離自然界的基因模闆，隻是對已有的基因進行了複制或修改，這不能說是 " 從頭創新 "，而隻是基于圖譜的 " 再優化 "。每一點 " 優化 " 都需要再深度驗證是否會影響到酵母自身的生存活性。我們對生命的理解也遠沒有達到可以從頭創新的階段。目前，科學家雖然已經能夠人工合成真核生物的基因組，但還不能将全部的人工基因組放入同一個真核細胞中。想要直接 " 從無到有 " 地構建一個細胞，或者進一步說不依賴于自然界的基因序列設計出一系列全新的基因組，科學家還需要對細胞的結構、基因的功能和調控有更深入的理解，對生命的本質和起源有更清晰的認識。
但我們依然在慢慢 " 颠覆 " 達爾文的進化論，相較于 Sc1.0（天然酵母），Sc2.0 計劃可以作爲工具，通過外源導入基因後，直接 " 造物 "。從理論上說，人工設計與合成酵母基因組及其後續的基因組快速進化研究，不僅可實現對酵母全基因組功能研究，還能通過基因組随機變化産生的酵母菌庫爲研究酵母演化史提供大量的素材。另外，酵母與人類的生活息息相關，它是釀酒和制作面包所必需的重要材料。在工業上，酵母能爲我們生産很多物質，比如通過在酵母中加入合成青蒿素的相關基因可以實現青蒿素的大量生産。未來我們還可以将一些其它微生物合成的物質放到人造酵母裏面進行生産，如抗生素、味精甚至玻尿酸等等。可以說，人造酵母擁有很多改善人們生活的應用潛力，在食物生産、藥物生産、生物能源、生物材料等領域都可以得到廣泛應用。
2010 年，" 人類基因組之父 " 克雷格 · 文特爾（Craig Venter）将一種名爲絲狀支原體的微生物 DNA 進行重組，并将新的 DNA 片段 " 粘 " 在一起，植入另一種細菌中制造了第一個所謂的 " 人造生命 " [ 10 ] 。雖然這一成果在當時造成了不小的争議，但他在這個 " 人造生命 " 的基因組中加入的一小段人類的文本卻讓人印象深刻，"To live, to err, to fall, to triumph, to recreate life out of life"（去生活、去犯錯、去失敗、去勝利，去用生命重新創造生命）。大自然創造了人類世界，或許人類也可以向着更美好的家園再創世紀。
