中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)染色體“16合1”
國(guó)際首例人造單染色體真核細(xì)胞創(chuàng)建成功，中國(guó)實(shí)現(xiàn)合成生物學(xué)里程碑式突破
新京報(bào)訊 (記者李玉坤 王俊)中國(guó)科學(xué)家在國(guó)際上首次人工創(chuàng)建了單條染色體的真核細(xì)胞，這一成果昨日在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。記者從中科院了解到，這一成果完全由中國(guó)科學(xué)家獨(dú)立完成，是合成生物學(xué)具有里程碑意義的重大突破。
覃重軍(左一)團(tuán)隊(duì)及學(xué)生在中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)(7月31日攝)。新華社記者 丁汀 攝
將16條染色體人工創(chuàng)建為單條染色體
人類能否創(chuàng)造生命?2010年，美國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造了世界上首個(gè)“人造生命”——含有全人工化學(xué)合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體，引起轟動(dòng)。
此次，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員覃重軍研究團(tuán)隊(duì)完成了將單細(xì)胞真核生物釀酒酵母天然的16條染色體人工創(chuàng)建為具有完整功能的單條染色體。
在生物學(xué)教科書中，將自然界存在的生命體分為具有被核膜包裹染色體細(xì)胞核的真核生物和染色體裸露無核膜包裹的原核生物。染色體攜帶了生命體生長(zhǎng)與繁殖的遺傳信息，真核生物通常含有線型結(jié)構(gòu)的多條染色體，而原核生物通常只有環(huán)型結(jié)構(gòu)的一條染色體。
復(fù)雜生命體可人工干預(yù)變簡(jiǎn)約
覃重軍說，他大膽設(shè)想真核生物也能像原核生物一樣，用一條線型染色體裝載所有遺傳物質(zhì)并完成正常的細(xì)胞功能，通過人工創(chuàng)建釀酒酵母，驗(yàn)證了這個(gè)假設(shè)是可行的。這說明，天然復(fù)雜的生命體系可以通過人工干預(yù)變簡(jiǎn)約，自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創(chuàng)造全新的自然界不存在的生命。
據(jù)介紹，釀酒酵母是研究染色體異常的重要模型，釀酒酵母中有1/3基因與具有23對(duì)染色體的人類基因同源。覃重軍的成果為研究人類細(xì)胞衰老提供了很好的模型。覃重軍表示，這也是他未來的研究方向。
■ 對(duì)話
覃重軍：顛覆太多，很多評(píng)委不相信
昨日，新京報(bào)記者對(duì)話了該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人覃重軍，他回顧了一些實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。在向《自然》投稿之后，因?yàn)樘哳嵏残裕芏嘣u(píng)委怎么也不相信，讓他們補(bǔ)充了大量實(shí)驗(yàn)。
“論文發(fā)表了以后，我特別高興，因?yàn)樽C據(jù)強(qiáng)大，是個(gè)完美的故事。”他說。
合成16條染色體耗時(shí)近兩年
新京報(bào)：為什么選擇釀酒酵母作為研究對(duì)象?
覃重軍：釀酒酵母是一種模式生物，已經(jīng)被研究得很透徹。酵母分單倍體和雙倍體，正常單倍體是有16條染色體，雙倍體是有16對(duì)。我們做的是單倍體，因?yàn)殡p倍體32條，工作量至少翻倍。
新京報(bào)：可以說我們創(chuàng)造了“人造生命”嗎?
覃重軍：我們?nèi)斯?chuàng)造了一個(gè)活細(xì)胞，功能正常，可以說是“人造新生命”，畢竟之前從來沒有造出來過。
美國(guó)科學(xué)家之前是合成過人造支原體，那是原核生物，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。釀酒酵母屬于真核生物，相比于原核生物，釀酒酵母跟人類關(guān)系更近。
新京報(bào)：既然合成了單細(xì)胞真核生物，那么多細(xì)胞生物可以合成嗎?
覃重軍：我覺得多細(xì)胞生物有點(diǎn)難操作，但也不是不可能。因?yàn)槎嗉?xì)胞生物，包括高等生物，都能進(jìn)行遺傳操作。比如水稻、小鼠，都可以“敲掉”基因、融合染色體，只是沒有像釀酒酵母這么高效。我們的文章發(fā)表后，肯定會(huì)有人去做多細(xì)胞生物實(shí)驗(yàn)。
新京報(bào)：這些基因重組是純“手工”操作嗎?
覃重軍：我們是一點(diǎn)點(diǎn)做的，從16條慢慢合成一條，在比較順利的情況下用了差不多快兩年時(shí)間。
不過我們不是化學(xué)合成，我們?cè)诩?xì)胞內(nèi)操作。有一種操作是在細(xì)胞外合成，然后導(dǎo)進(jìn)去。我們采取細(xì)胞內(nèi)操作，用一把“手術(shù)刀”，可以把重復(fù)的基因切掉，然后再合成。
新京報(bào)：這條超級(jí)染色體有多長(zhǎng)?
覃重軍：酵母基因組大概6500個(gè)基因，我們把有效信息都整合到一條超級(jí)大的染色體上。這條超級(jí)染色體接近原來最大一條長(zhǎng)度的10倍。
新京報(bào)：16條染色體中剔除掉哪些信息?
覃重軍：主要是基因組的重復(fù)序列，有19個(gè)，我認(rèn)為它們?cè)斐山Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，全部刪掉了。拉著染色體跑的那個(gè)東西叫著絲點(diǎn)，有16個(gè)，刪掉15個(gè)。
合成的釀酒酵母可用于工業(yè)發(fā)酵
新京報(bào)：染色體中是有一些沉默基因的，這些不表達(dá)的基因也全部拿掉嗎?
覃重軍：沒有拿掉，而且沉默的基因被激活了。釀酒酵母有個(gè)特點(diǎn)，靠近染色體最末端的一到兩個(gè)基因是不表達(dá)的，通俗來講，像死火山一樣，是沉默的。但是，我們把它們夾到中間了，有的就“活”過來了，大概有7個(gè)基因重新表達(dá)了。
新京報(bào)：你們合成的釀酒酵母可以應(yīng)用到工業(yè)中嗎?
覃重軍：我們合成的酵母已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)當(dāng)中了。有一個(gè)瑞典的科學(xué)家，去年問我們要了材料。他拿到以后，進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵。前不久給我們寫郵件，說是穩(wěn)定的，可以用于工業(yè)發(fā)酵。
新京報(bào)：那7個(gè)重新表達(dá)的基因，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)?
覃重軍：不會(huì)這么巧，這個(gè)不用擔(dān)心。釀酒酵母本來就可以吃，自身沒有任何有害物質(zhì)。我們合成的酵母菌，只是把遺傳信息重新編排，刪掉重復(fù)的信息，沒有加外源的東西，不需要再評(píng)估，所以繼續(xù)可以吃。
新京報(bào)：16條染色體變成一條以后，表達(dá)有沒有紊亂?
覃重軍：原來有16條染色體，每條上面都有著絲粒，每次分裂時(shí)紡錘體就拉著往回跑。現(xiàn)在16條染色體變成了一個(gè)超級(jí)染色體，我們想會(huì)不會(huì)拉斷啊?生物比我們想象得更厲害，拉那么巨大的染色體也不怕，這個(gè)有點(diǎn)顛覆人的想象。所以我想也許它當(dāng)時(shí)沒挑夠，本來可以挑100斤，但它只挑了10斤，所以這會(huì)兒讓它挑100斤還是能挑得動(dòng)的。
新京報(bào)：人有23對(duì)染色體，增加減少都會(huì)得病，整合酵母染色體對(duì)研究人類遺傳病有什么啟發(fā)?
覃重軍：釀酒酵母可以作為模型，打開一個(gè)窗口。因?yàn)獒劸平湍缚梢愿牡锰旆馗玻热缛说暮芏嗳旧w的疾病，都可以在釀酒酵母上模擬，看它如何恢復(fù)正常，然后在高等生物上測(cè)試。
新京報(bào)：對(duì)于人類遺傳疾病，你下一步要進(jìn)行哪些研究?
覃重軍：人類遺傳疾病研究是我下一步要做的，下一個(gè)目標(biāo)是做對(duì)治療人類染色體的疾病有幫助的實(shí)驗(yàn)。
投稿后有幾個(gè)評(píng)委“死也不相信”
新京報(bào)：你是什么時(shí)候?qū)嶒?yàn)成功的?
覃重軍：我是2016年10月構(gòu)建成功的。投稿以后，有的評(píng)委覺得顛覆的東西太多了，必須給出嚴(yán)格證明。有幾個(gè)評(píng)委死也不相信，建議我做一堆實(shí)驗(yàn)，幾乎要我們的命。
新京報(bào)：補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)做了多久?
覃重軍：補(bǔ)了快一年的實(shí)驗(yàn)。有評(píng)委說，人造單染色體和天然要全面競(jìng)爭(zhēng)表現(xiàn)怎么樣?比如減速分裂、競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)。給我的體會(huì)就是，這個(gè)結(jié)論太重大了。我也擔(dān)心一直做實(shí)驗(yàn)拖了時(shí)間，被人先發(fā)。
論文發(fā)表了以后，我特別高興，因?yàn)樽C據(jù)強(qiáng)大。
新京報(bào)：有多少研究所問你們要材料?
覃重軍：國(guó)內(nèi)國(guó)外已經(jīng)很多實(shí)驗(yàn)室問我要了材料，幾乎做釀酒酵母的都會(huì)問我要。
新京報(bào)：那你覺得你們的成果在國(guó)際上能領(lǐng)先多久?
覃重軍：我們實(shí)際上領(lǐng)先不了多久，因?yàn)閯e人要材料我們不可能不給，而外國(guó)科學(xué)家的效率很高。我的這個(gè)成果，前期創(chuàng)意是我認(rèn)為最難的地方。所以，我覺得技術(shù)領(lǐng)先不是最重要的，中國(guó)要想領(lǐng)先，要在原創(chuàng)的思想上用最大的功夫。
