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我科學(xué)家利用非生命化學(xué)物質(zhì)設(shè)計(jì)再造出新生命體

[2017/3/16]

合成生物技術(shù)與傳統(tǒng)生物學(xué)通過解剖生命體以研究其內(nèi)在構(gòu)造的辦法不同，合成生物學(xué)的研究方向完全是相反的，它是從最基本的要素開始一步步建立零部件。近日，我國科學(xué)家在真核生物基因組設(shè)計(jì)與化學(xué)合成方面取得重大突破。
　　
　　日前，我國科學(xué)家在真核生物基因組設(shè)計(jì)與化學(xué)合成方面取得重大突破，由天津大學(xué)牽頭的“合成生物技術(shù)”國家863計(jì)劃重大項(xiàng)目目前已成功合成4條真核生物釀酒酵母染色體，相關(guān)研究成果已形成4篇我國學(xué)者為第一作者和通訊作者的《Science》論文并于3月10日正式對外界發(fā)布。



　　該成果的取得實(shí)現(xiàn)了由非生命的化學(xué)物質(zhì)通過設(shè)計(jì)合成的方法再造出新的生命體，標(biāo)志著我國已經(jīng)成為繼美國之后第二個(gè)具備真核基因組設(shè)計(jì)與構(gòu)建能力的國家。
　　
　　2012年，依托于國家863計(jì)劃“合成生物技術(shù)”重大項(xiàng)目，天津大學(xué)、清華大學(xué)和華大基因與美國共同發(fā)起并推動了真核生物酵母人工基因組合成（Sc2.0）國際合作計(jì)劃，該計(jì)劃是合成基因組學(xué)（Synthetic genomics）研究的標(biāo)志性國際合作項(xiàng)目，旨在重新設(shè)計(jì)并合成釀酒酵母的全部16條染色體（長約12Mb，Mb：百萬堿基對）。該項(xiàng)目由美國科學(xué)院院士杰夫·伯克發(fā)起，有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機(jī)構(gòu)參與并分工協(xié)作，致力于設(shè)計(jì)和化學(xué)再造完整的釀酒酵母基因組。
　　
　　至今，科學(xué)家們已經(jīng)化學(xué)合成了6條染色體，來自天津大學(xué)、清華大學(xué)、華大基因的中國科學(xué)家完成了其中的4條，占完成數(shù)量的66.7%。其中，元英進(jìn)帶領(lǐng)的天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了5號、10號（synV、synX）染色體的化學(xué)合成，并開發(fā)了高效的染色體缺陷靶點(diǎn)定位技術(shù)和染色體點(diǎn)突變修復(fù)技術(shù)。戴俊彪研究員帶領(lǐng)清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了當(dāng)前已合成染色體中最長的12號染色體（synXII）的全合成。深圳華大基因研究院團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國愛丁堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了2號染色體（synII）的合成及深度基因型－表型關(guān)聯(lián)分析。
　　
　　該計(jì)劃的國際化推動者及中國最早的參與者，天津大學(xué)化工學(xué)院教授元英進(jìn)此次在《科學(xué)》期刊上以唯一通訊作者身份發(fā)表了兩篇有關(guān)釀酒酵母染色體化學(xué)合成的學(xué)術(shù)論文。據(jù)他介紹，基因組設(shè)計(jì)與化學(xué)合成打破了非生命物質(zhì)與生命的界限，開啟了“設(shè)計(jì)生命、再造生命和重塑生命”的進(jìn)程。此次釀酒酵母染色體化學(xué)合成突破了合成型基因組導(dǎo)致細(xì)胞失活的難題，設(shè)計(jì)構(gòu)建了染色體成環(huán)疾病模型，開發(fā)了長染色體分級組裝策略，證明人工設(shè)計(jì)合成的基因組具有可增加、可刪減的靈活性……
　　
　　目前國際上普遍認(rèn)為，以基因組設(shè)計(jì)合成為標(biāo)志的合成生物學(xué)是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組測序計(jì)劃”之后，即將引發(fā)的第三次生物技術(shù)革命，可望在人類健康、環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域產(chǎn)生革命性發(fā)展。中國合成生物基因組的專家們認(rèn)為，基因組設(shè)計(jì)合成研究具有重要意義，主要體現(xiàn)為：
　　
　　首先，基因組設(shè)計(jì)合成研究將顛覆生命科學(xué)研究范式，極大提高人類對生命本質(zhì)的認(rèn)識水平以及對生命過程的掌控能力。
　　
　　基因組設(shè)計(jì)合成研究因其潛在的顛覆性影響，被國際學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。國際頂級雜志《Nature》在2016年底的展望中，將基因組合成計(jì)劃的發(fā)起人之一Jef Boeke院士作為2017年最有影響力的10位全球科學(xué)家之一；蚪M設(shè)計(jì)合成提供了一種“從創(chuàng)造到理解”的研究思路和方法，采用理性設(shè)計(jì)和“自下而上”的策略，有目的地設(shè)計(jì)并合成設(shè)定基因組，深化和拓展現(xiàn)有生命科學(xué)知識。基因組設(shè)計(jì)構(gòu)建合成的研究思想和方法不僅顛覆了當(dāng)前生命科學(xué)的研究模式，也將極大提升了人類對生命工作原理的理解，加深了人類對生命本質(zhì)的認(rèn)識。尤其是通過基因組合成研究檢驗(yàn)我們當(dāng)前對基因組的所有認(rèn)識，將進(jìn)一步加強(qiáng)我們對生命過程的調(diào)節(jié)和控制能力，提升人類改造生命甚至創(chuàng)造生命的能力。
　　
　　其次，基因組設(shè)計(jì)合成將顯著提升人類醫(yī)療健康水平，打造萬億級產(chǎn)業(yè)態(tài)勢。
　　
　　人類基因病的主要根源在于基因組的遺傳信息的不當(dāng)表達(dá)；蚪M設(shè)計(jì)合成研究，將推動基因組調(diào)控生命機(jī)制的深入認(rèn)識，通過基因組合成帶動并突破的一批關(guān)鍵核心技術(shù)；蚪M合成研究將產(chǎn)生大量的基因序列與生理特性和功能行為關(guān)聯(lián)的寶貴信息，并驅(qū)動規(guī)；蚪M合成和基因組編輯技術(shù)與方法的發(fā)展，為新型生物學(xué)治療方法、疫苗、材料、疾病控制和營養(yǎng)學(xué)等方面的基礎(chǔ)性研究提供強(qiáng)有力的支撐？赏麡(gòu)建超安全細(xì)胞、修復(fù)癌癥細(xì)胞基因組、抵抗衰老等，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有健康產(chǎn)業(yè)的顛覆，將快速形成以基因組合成帶動的新型生物產(chǎn)業(yè)，尤其是針對重大復(fù)雜疾病，有望形成萬億級醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)和千億級企業(yè)的新業(yè)態(tài)。
　　
　　元英進(jìn)表示，Sc2.0計(jì)劃國際化的高效運(yùn)作模式給國際性大型旗艦項(xiàng)目提供了很好的參考模板！翱梢哉f，Sc2.0計(jì)劃的實(shí)施是基因組編寫計(jì)劃（GP－write）的重要基礎(chǔ)！蓖瑫r(shí)元英進(jìn)認(rèn)為，在這個(gè)過程中，我國培養(yǎng)了大批具有國際視野的拔尖創(chuàng)新青年人才，中國的基因組設(shè)計(jì)合成能力也提升到了前所未有的高度。此次國際合作取得的巨大成功將鼓勵更多的中國學(xué)者更積極地參與到大型國際合作項(xiàng)目中去。