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中国科学家搞了个大新闻,我们要创造人工生命!

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vgbjk 发表于 2020-2-13 12:55:38 |阅读模式 |复制链接
上个月,叫兽君的朋友圈被一则“中国科学家再造人工合成生命”的新闻刷屏了。该报道称,中国科学家以“史无前例”的姿态,用封面文章的形式,在顶级期刊《科学》杂志上同时发表了4篇论文。论文称科学家们从头编写了一种真核生命——酿酒酵母的DNA,从而创造了人造的真核生命。

《Science》专刊封面。那些长得像草又像蘑菇的棒状物是酵母的染色体,而那些金色的部分是人工合成的染色体。人工合成的染色体结构和遗传信息与天然的染色体相似,例如我们都可以看到一圈圈缠绕在一起的像电话线一样的DNA。图片来自:《science》杂志
得知此消息的朋友们纷纷跑来向我求证,说这回中国科学家又搞了个大新闻啊,连合成生命都开始搞了?这个人造的酵母到底有啥用啊?甚至有人感到了恐慌——这次搞了个酵母,下回是不是要做人造人了?当然,也有好多人问我要人工合成生命女神的电话…
“人造生命女神”、2号染色体合成文章第一作者,华大基因合成与编辑平台负责人沈玥博士和她的小伙伴们
大新闻是咋回事?

这次报道的主角——人工合成酵母基因组项目(Sc 2.0项目),旨在重新设计合成一个真核单细胞微生物——酵母的16对染色体,即合成世上首例人造酵母。这个项目是由杰夫博克(Jef Boeke)教授发起,多国团队共同参与的国际项目。截止目前,科学家们一共合成了16对目标染色体中的6对半。这次《科学》杂志以专刊形式报道的就是其中5条合成染色体的最新研究进展。专刊中有4篇文章是中国科学家的工作成果,说明中国在合成生命的科研领域已经走在了世界的最前列。此处应真心的为中国的科学团队点赞!
迄今为止人类已合成的酵母染色体示意图。左边是用合成酵母和野生酵母菌落画出来的染色体示意图,金色的是含合成DNA的酵母菌落,蓝色则是野生的。大家数一数,看看现在有多少条是合成了的,多少条是还没合成的?图片来自:《science》杂志
科学家是直接合成出一个酵母吗?

很遗憾,由于细胞的成分结构太复杂,科学家还无法通过化学方法直接合成出细胞的全部成分。但是没关系,也没有必要重新合成那么多复杂的东西。有更简单直接的办法——合成操纵着生命核心密码的DNA。首先,科学家们用电脑程序重新设计了酵母菌的DNA序列,然后通过化学合成的方式合成出寡核苷酸链(就是超级短的DNA)。因为化学合成越长的DNA越容易出错,成本很高,穷苦的科学家们hold不住啊。所以只能先合成短的DNA,再像拼积木一样拼接出长的DNA。你问为什么不直接化学合成全部DNA?我只能告诉你…


完成这一步之后,再把酵母体内天然的DNA替换为合成的DNA,就算完成了人造生命。当然,现在我们只完成了一部分染色体的合成,等16对染色体全部合成完毕,将它们整合进一个酵母中,形成完整的“人造基因组”,才能最终诞生真正意义上的人造酵母。

人造酵母染色体合成流程示意图。首先使用化学合成方法合成一系列长度60-80个碱基对的寡核苷酸链。由于相邻的寡核苷酸链被设计为部分重叠互补,可以使用PCR反应将这些寡核苷酸链组装成750个碱基对长度的building block。将buildingblock导入酵母中,利用酵母的同源重组能力将building block组装成2-4千个碱基对长的minichunk。再将minichunk放到同一个酵母中,再次利用酵母的同源重组能力,将天然的DNA逐步替换为合成的DNA。对于每个合成的染色体,具体的方法有所差异与创新,但大体思路相同。有兴趣的小伙伴可以阅读文献中的方法。图片引用自:Annaluru,N., Muller, H., Mitchell, L. A., Ramalingam, S., Stracquadanio, G., Richardson,S. M., . . . Chandrasegaran, S. (2014). Total Synthesisof a Functional Designer Eukaryotic Chromosome. Science, 344(6179), 55-58.doi:10.1126/science.1249252
人造酵母和天然的酵母有啥区别?

很多人可能会想,既然咱们能创造生命,是不是想造啥就造啥了?对于这样的问题,我只能默默流泪:生命的机制非常的复杂,科学家还远没有弄懂它的作用机制。因此,人造酵母的设计和构建还得参照自然界的酵母,而且,也得保证合成的酵母能表现出与天然的酵母相似的功能。
那么,人造酵母和自然界的酵母真的没有区别吗?当然不是,在尽量模拟自然界酵母的基础上,科学家们在合成的DNA上做了一些细微但重要的改变。例如,科学家们去除了DNA上一些他们认为无用累赘的序列,作了一些遗传密码的同义改写,并在基因上加入了一个“进化开关”,给每个合成酵母一次进化的机会。科学家们通过引入一种叫做SCRaMbLE的进化系统(图4),在经过诱导之后,能使每个酵母细胞的全部基因像洗牌一样发生一次随机的重新排列。这就给人工合成的酵母菌带来了无限的可能,让酵母菌在这无限的可能中找到更好的自己。
SCRaMbLE 系统示意图。SCRaMbLE的全称是Synthetic Chromosome Rearrangement and Modification by LoxP-mediated Evolution,能够像洗牌一样随机打散染色体上所有基因的排列布局。图中绿色的菱形就是“进化开关”,诱导之后染色体会随机发生重排、删除等变异,变异出不同的酵母。图片引用自:Dymond, J., & Boeke,J. (2012). The Saccharomyces cerevisiae SCRaMbLE system and genomeminimization. Bioengineered Bugs, 3(3), 168-171. doi:10.4161/bbug.19543
合成的酵母有什么用?

说了这么多,那合成这样一个人造酵母有什么用呢?首先,合成酵母最直接的作用就是让人类更好的认知生命。大家可能觉得基因组学和分子生物学发展的那么迅猛,科学家们应该很了解生命了,那么按图索骥的合成一个生命应该也没什么难度。但是生命的复杂性就像女朋友的心,你以为你对她很了解,但是当你给她买口红的时候,你才发现…

了解生命对于科学家来说就像了解女朋友,不敢说我们对她的了解一定是正确的——只有当合成生命按照我们预想的方式运作时,才能证明我们对生命的认识无误。因此,科学家才期待通过研究人造酵母,找出更多与天然酵母不同的地方,从而更好了解女朋友(大误)的本质。
其次,合成的酵母菌本身也有巨大的应用潜力。人类已经利用酵母做了几千年的啤酒、面包和馒头,在基因工程技术的帮助下,可以利用改造的酵母做更多的事情,例如生产抗体、靶向药物、酵素(酶)、味精等等。这里不得不提到诺贝尔奖的明星——青蒿素。2013年,杰伊凯斯林(Jay Keasling)等人在酵母体内加入一系列基因,使其获得青蒿素前体的合成能力,产量高达惊人的25g/L,大大降低了青蒿素的生产成本,提高了生产效率。利用类似的思路,科学家可以将人造酵母打造成一个“细胞工厂”,可以用来生产香水、合成药物、生产清洁的能源物质,甚至带来更多超越想象的新应用,更好的为人类服务。
最后,酵母菌的合成本身就是一种科学技术的突破。科学家从合成最简单的病毒开始,到支原体菌,再到酵母菌,一步步克服了大小和复杂程度上质的区别。就像制造黑白手机、彩屏手机和智能手机一样,经过了一个又一个软件和硬件突破原有技术障碍、逐步升级的过程。掌握了酵母菌的合成技术,合成更高等的生命也就不再是梦想了。
酵母造完了,还有人造人吗?

从古至今,创造生命就是一个人们津津乐道又争议不断的话题。在各民族的神话里,创造生命都是神灵的工作。然而,从合成病毒到合成原核微生物再到正在合成的人造酵母,这些曾经遥不可及的神话如今却逐渐成为现实。当人类破译更多真菌、植物,以及动物的遗传密码,可能,在不远的将来,合成第一棵人造植物,第一只人造萌宠,甚至人造人都会成为可能。但是,合成生物学的飞速发展也带来了伦理和生命安全上的隐忧。如同所有科技都拥有两个面,人造生命既能成为对人类有益的“细胞工厂”,也可能被利用来生产具有潜在危害的物质。如何监管这样的合成生命,维护人类的安全也是一个沉重但不容忽视的话题。
人造生命是一条充满希望又饱受争议的荆棘之路。叫兽君认为,不管争议如何,科学家对于合成生命的探索应当在合理的规范和监管之下,一往无前的继续走下去。很期待合成酵母之后,不远的将来能够看到更多有趣的合成生命诞生。

(编辑:明天,题图来源:syntheticyeast.org)

参考文献:

           
  • Annaluru, N.,Muller, H., Mitchell, L. A., Ramalingam, S., Stracquadanio, G., Richardson, S.M., . . . Chandrasegaran, S. (2014). Total Synthesis of a Functional DesignerEukaryotic Chromosome. Science, 344(6179), 55-58. doi:10.1126/science.1249252       
  • Cello, J.,Paul, A. V., & Wimmer, E. (2002). Chemical synthesis of poliovirus cDNA:generation of infectious virus in the absence of natural template. Science,297(5583), 1016-1018. doi:10.1126/science.1072266       
  • Dymond, J.,& Boeke, J. (2012). The Saccharomyces cerevisiae SCRaMbLE system and genomeminimization. Bioengineered Bugs, 3(3), 168.       
  • Dymond, J. S.,Richardson, S. M., Coombes, C. E., Babatz, T., Muller, H., Annaluru, N., . . .Boeke, J. D. (2011). Synthetic chromosome arms function in yeast and generatephenotypic diversity by design. Nature, 477(7365), 471-476.doi:10.1038/nature10403       
  • Gibson, D. G.,Glass, J. I., Lartigue, C., Noskov, V. N., Chuang, R. Y., Algire, M. A., . . .Venter, J. C. (2010). Creation of a bacterial cell controlled by a chemicallysynthesized genome. Science, 329(5987), 52-56. doi:10.1126/science.1190719       
  • Hutchison, C.A., Chuang, R.-Y., Noskov, V. N., Assad-Garcia, N., Deerinck, T. J., Ellisman,M. H., . . . Venter, J. C. (2016). Design and synthesis of a minimal bacterialgenome. Science, 351(6280). doi:10.1126/science.aad6253       
  • Jackson, D. A.,Symons, R. H., & Berg, P. (1972). Biochemical Method for Inserting NewGenetic Information into DNA of Simian Virus 40: Circular SV40 DNA MoleculesContaining Lambda Phage Genes and the Galactose Operon of Escherichia coli.Proc Natl Acad Sci U S A, 69(10), 2904-2909.       
  • Mercy, G.,Mozziconacci, J., Scolari, V. F., Yang, K., Zhao, G., Thierry, A., . . .Koszul, R. (2017). 3D organization of synthetic and scrambled chromosomes.Science, 355(6329). doi:10.1126/science.aaf4597       
  • Mitchell, L.A., Wang, A., Stracquadanio, G., Kuang, Z., Wang, X., Yang, K., . . . Boeke, J.D. (2017). Synthesis, debugging, and effects of synthetic chromosomeconsolidation: synVI and beyond. Science, 355(6329). doi:10.1126/science.aaf4831       
  • Paddon, C. J.,Westfall, P. J., Pitera, D. J., Benjamin, K., Fisher, K., McPhee, D., . . .Newman, J. D. (2013). High-level semi-synthetic production of the potentantimalarial artemisinin. Nature, 496(7446), 528-532. doi:10.1038/nature12051       
  • Richardson, S.M., Mitchell, L. A., Stracquadanio, G., Yang, K., Dymond, J. S., DiCarlo, J.E., . . . Bader, J. S. (2017). Design of a synthetic yeast genome. Science,355(6329), 1040-1044. doi:10.1126/science.aaf4557       
  • Shen, Y.,Stracquadanio, G., Wang, Y., Yang, K., Mitchell, L. A., Xue, Y., . . . Bader,J. S. (2016). SCRaMbLE generates designed combinatorial stochastic diversity insynthetic chromosomes. Genome Res, 26(1), 36-49. doi:10.1101/gr.193433.115       
  • Shen, Y., Wang,Y., Chen, T., Gao, F., Gong, J., Abramczyk, D., . . . Yang, H. (2017). Deepfunctional analysis of synII, a 770-kilobase synthetic yeast chromosome.Science, 355(6329). doi:10.1126/science.aaf4791       
  • Wu, Y., Li,B.-Z., Zhao, M., Mitchell, L. A., Xie, Z.-X., Lin, Q.-H., . . . Yuan, Y.-J.(2017). Bug mapping and fitness testing of chemically synthesized chromosome X.Science, 355(6329). doi:10.1126/science.aaf4706       
  • Xie, Z.-X., Li,B.-Z., Mitchell, L. A., Wu, Y., Qi, X., Jin, Z., . . . Yuan, Y.-J. (2017).“Perfect” designer chromosome V and behavior of a ring derivative. Science,355(6329). doi:10.1126/science.aaf4704       
  • Zhang, W.,Zhao, G., Luo, Z., Lin, Y., Wang, L., Guo, Y., . . . Dai, J. (2017).Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome. Science,355(6329). doi:10.1126/science.aaf3981

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发表于 2020-2-13 13:07:09
支持这种技术。每次看到所谓的“编辑基因威胁人类安全”的论调,我都觉得是在说“研究激光,万一不小心把月球射爆了怎么办”
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发表于 2020-2-13 13:19:56
不要轻易搞大新闻以后出了事可是要负泽任的
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发表于 2020-2-13 13:31:34
感觉有点像我一行一行复制了别人的代码,做了一点小修改就宣称是自己的code,在那些连IDE都打不开的外行人看来,“好厉害”,而在代码的原作者和其他程序员眼中实在是太low了
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发表于 2020-2-13 13:43:22
支持这种技术。每次看到所谓的“编辑基因威胁人类安全”的论调,我都觉得是在说“研究激光,万一不小心把月球射爆了怎么办”
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发表于 2020-2-13 13:56:07
终有一天,人类文明也会成为神
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