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“人造生命”成功 中国科学家实现染色体“16合1”

新京报 2018-08-03 10:09:53

中国科学家实现染色体“16合1”

国际首例人造单染色体真核细胞创建成功,中国实现合成生物学里程碑式突破

新京报讯 (记者李玉坤 王俊)中国科学家在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞,这一成果昨日在国际知名学术期刊《自然》在线发表。记者从中科院了解到,这一成果完全由中国科学家独立完成,是合成生物学具有里程碑意义的重大突破。

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覃重军(左一)团队及学生在中科院分子植物卓越中心/植生生态所合成生物学重点实验室内(7月31日摄)。新华社记者 丁汀 摄

将16条染色体人工创建为单条染色体

人类能否创造生命?2010年,美国科学家创造了世界上首个“人造生命”——含有全人工化学合成的与天然染色体序列几乎相同的原核生物支原体,引起轰动。

此次,中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室研究员覃重军研究团队完成了将单细胞真核生物酿酒酵母天然的16条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。

在生物学教科书中,将自然界存在的生命体分为具有被核膜包裹染色体细胞核的真核生物和染色体裸露无核膜包裹的原核生物。染色体携带了生命体生长与繁殖的遗传信息,真核生物通常含有线型结构的多条染色体,而原核生物通常只有环型结构的一条染色体。

复杂生命体可人工干预变简约

覃重军说,他大胆设想真核生物也能像原核生物一样,用一条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能,通过人工创建酿酒酵母,验证了这个假设是可行的。这说明,天然复杂的生命体系可以通过人工干预变简约,自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。

据介绍,酿酒酵母是研究染色体异常的重要模型,酿酒酵母中有1/3基因与具有23对染色体的人类基因同源。覃重军的成果为研究人类细胞衰老提供了很好的模型。覃重军表示,这也是他未来的研究方向。

■ 对话

覃重军:颠覆太多,很多评委不相信

昨日,新京报记者对话了该项目团队负责人覃重军,他回顾了一些实验细节。在向《自然》投稿之后,因为太具颠覆性,很多评委怎么也不相信,让他们补充了大量实验。

“论文发表了以后,我特别高兴,因为证据强大,是个完美的故事。”他说。

合成16条染色体耗时近两年

新京报:为什么选择酿酒酵母作为研究对象?

覃重军:酿酒酵母是一种模式生物,已经被研究得很透彻。酵母分单倍体和双倍体,正常单倍体是有16条染色体,双倍体是有16对。我们做的是单倍体,因为双倍体32条,工作量至少翻倍。

新京报:可以说我们创造了“人造生命”吗?

覃重军:我们人工创造了一个活细胞,功能正常,可以说是“人造新生命”,毕竟之前从来没有造出来过。

美国科学家之前是合成过人造支原体,那是原核生物,结构简单。酿酒酵母属于真核生物,相比于原核生物,酿酒酵母跟人类关系更近。

新京报:既然合成了单细胞真核生物,那么多细胞生物可以合成吗?

覃重军:我觉得多细胞生物有点难操作,但也不是不可能。因为多细胞生物,包括高等生物,都能进行遗传操作。比如水稻、小鼠,都可以“敲掉”基因、融合染色体,只是没有像酿酒酵母这么高效。我们的文章发表后,肯定会有人去做多细胞生物实验。

新京报:这些基因重组是纯“手工”操作吗?

覃重军:我们是一点点做的,从16条慢慢合成一条,在比较顺利的情况下用了差不多快两年时间。

不过我们不是化学合成,我们在细胞内操作。有一种操作是在细胞外合成,然后导进去。我们采取细胞内操作,用一把“手术刀”,可以把重复的基因切掉,然后再合成。

新京报:这条超级染色体有多长?

覃重军:酵母基因组大概6500个基因,我们把有效信息都整合到一条超级大的染色体上。这条超级染色体接近原来最大一条长度的10倍。

新京报:16条染色体中剔除掉哪些信息?

覃重军:主要是基因组的重复序列,有19个,我认为它们造成结构不稳定,全部删掉了。拉着染色体跑的那个东西叫着丝点,有16个,删掉15个。

合成的酿酒酵母可用于工业发酵

新京报:染色体中是有一些沉默基因的,这些不表达的基因也全部拿掉吗?

覃重军:没有拿掉,而且沉默的基因被激活了。酿酒酵母有个特点,靠近染色体最末端的一到两个基因是不表达的,通俗来讲,像死火山一样,是沉默的。但是,我们把它们夹到中间了,有的就“活”过来了,大概有7个基因重新表达了。

新京报:你们合成的酿酒酵母可以应用到工业中吗?

覃重军:我们合成的酵母已经应用到工业当中了。有一个瑞典的科学家,去年问我们要了材料。他拿到以后,进行工业发酵。前不久给我们写邮件,说是稳定的,可以用于工业发酵。

新京报:那7个重新表达的基因,会不会产生有害物质?

覃重军:不会这么巧,这个不用担心。酿酒酵母本来就可以吃,自身没有任何有害物质。我们合成的酵母菌,只是把遗传信息重新编排,删掉重复的信息,没有加外源的东西,不需要再评估,所以继续可以吃。

新京报:16条染色体变成一条以后,表达有没有紊乱?

覃重军:原来有16条染色体,每条上面都有着丝粒,每次分裂时纺锤体就拉着往回跑。现在16条染色体变成了一个超级染色体,我们想会不会拉断啊?生物比我们想象得更厉害,拉那么巨大的染色体也不怕,这个有点颠覆人的想象。所以我想也许它当时没挑够,本来可以挑100斤,但它只挑了10斤,所以这会儿让它挑100斤还是能挑得动的。

新京报:人有23对染色体,增加减少都会得病,整合酵母染色体对研究人类遗传病有什么启发?

覃重军:酿酒酵母可以作为模型,打开一个窗口。因为酿酒酵母可以改得天翻地覆,比如人的很多染色体的疾病,都可以在酿酒酵母上模拟,看它如何恢复正常,然后在高等生物上测试。

新京报:对于人类遗传疾病,你下一步要进行哪些研究?

覃重军:人类遗传疾病研究是我下一步要做的,下一个目标是做对治疗人类染色体的疾病有帮助的实验。

投稿后有几个评委“死也不相信”

新京报:你是什么时候实验成功的?

覃重军:我是2016年10月构建成功的。投稿以后,有的评委觉得颠覆的东西太多了,必须给出严格证明。有几个评委死也不相信,建议我做一堆实验,几乎要我们的命。

新京报:补充实验做了多久?

覃重军:补了快一年的实验。有评委说,人造单染色体和天然要全面竞争表现怎么样?比如减速分裂、竞争生长。给我的体会就是,这个结论太重大了。我也担心一直做实验拖了时间,被人先发。

论文发表了以后,我特别高兴,因为证据强大。

新京报:有多少研究所问你们要材料?

覃重军:国内国外已经很多实验室问我要了材料,几乎做酿酒酵母的都会问我要。

新京报:那你觉得你们的成果在国际上能领先多久?

覃重军:我们实际上领先不了多久,因为别人要材料我们不可能不给,而外国科学家的效率很高。我的这个成果,前期创意是我认为最难的地方。所以,我觉得技术领先不是最重要的,中国要想领先,要在原创的思想上用最大的功夫。

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