工程酵母新紀(jì)錄：合成DNA含量過半

2023年11月8日，合成酵母基因組計(jì)劃(Sc2.0)在《細(xì)胞》和《細(xì)胞基因組學(xué)》發(fā)表3篇論文稱，制造出一種超過50%的基因組DNA序列均由人工合成的釀酒酵母菌株。標(biāo)準(zhǔn)釀酒酵母的遺傳信息存儲(chǔ)在16條染色體上，而新菌株的6.5條染色體都是在實(shí)驗(yàn)室中編輯合成的，此外還有1條染色體由經(jīng)過編輯的DNA片段拼接而成。

目前科學(xué)家已經(jīng)可以完全合成一些病毒和細(xì)菌的基因組，但是它們都有簡(jiǎn)單的遺傳結(jié)構(gòu)。例如，大腸桿菌只有1條染色體，而細(xì)菌是原核生物，這意味著它們是單細(xì)胞，沒有復(fù)雜的細(xì)胞核來容納染色體。如果Sc2.0實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，那么工程酵母將是第一個(gè)擁有完全合成基因組的真核生物。

Sc2.0團(tuán)隊(duì)的研究人員來自亞洲、歐洲、北美和大洋洲的實(shí)驗(yàn)室，他們希望通過操縱合成的釀酒酵母，以便有一天可以生產(chǎn)藥物和燃料。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、美國紐約大學(xué)合成生物學(xué)家Jef Boeke表示，通過在不干擾其生存的情況下調(diào)整生物體，科學(xué)家對(duì)酵母生物學(xué)的認(rèn)識(shí)也在提高。

美國馬薩諸塞州非營利性公司Cultivarium首席科學(xué)官Nili Ostrov認(rèn)為，Sc2.0正在推動(dòng)生物工程領(lǐng)域所能達(dá)到的極限。從歷史上看，基因工程師一直專注于修改生物體中的單個(gè)基因，而現(xiàn)在，生物學(xué)家可以看到當(dāng)重新設(shè)計(jì)整個(gè)染色體時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

Sc2.0的主要目標(biāo)之一是消除酵母基因組中潛在的不穩(wěn)定來源。其中一個(gè)來源是大量的重復(fù)DNA，它們不編碼任何東西，但可以通過自然過程相互重組，導(dǎo)致基因組發(fā)生重大結(jié)構(gòu)變化。合成生物學(xué)家想要完全控制工程酵母，因此，Sc2.0團(tuán)隊(duì)用計(jì)算機(jī)程序梳理了釀酒酵母的基因組，找到高度重復(fù)的區(qū)域并刪除了它們。

為提高穩(wěn)定性，科學(xué)家從染色體中去除了編碼tRNAs的所有DNA片段，并將它們重新安置到完全合成的新染色體中。tRNAs對(duì)細(xì)胞的功能至關(guān)重要，但為它們編碼的DNA序列是不穩(wěn)定的。因此，將它們轉(zhuǎn)移到新染色體中能提高穩(wěn)定性，這是研究人員更好控制合成酵母菌以及探索生物學(xué)極限的一種方法。

為了將7.5條合成染色體整合到一個(gè)細(xì)胞中，研究團(tuán)隊(duì)制造了酵母菌株，每個(gè)菌株都含有1條編輯過的染色體，以及其他15條自然版本的染色體。然后，他們培育了兩種菌株，并選擇了含有兩種編輯過的不同染色體的后代。之后，這些菌株在培育中被加入另一條編輯過的染色體，以此類推。

即使染色體發(fā)生了巨大變化，最終擁有7.5條染色體的細(xì)胞仍存活下來并且可以復(fù)制。

Boeke說，雖然制造細(xì)胞的過程很耗時(shí)，但真正放慢速度的是調(diào)試。首先，研究人員必須測(cè)試每個(gè)含有新合成染色體的酵母細(xì)胞是否有活力，這意味著它可以存活并正常運(yùn)作，然后根據(jù)需要，調(diào)整遺傳密碼來解決出現(xiàn)的問題。當(dāng)兩條及以上合成染色體位于同一細(xì)胞中時(shí)，可能導(dǎo)致必須修復(fù)的新錯(cuò)誤，因此隨著過程的進(jìn)行，調(diào)試問題會(huì)變得更加復(fù)雜。

目前，該團(tuán)隊(duì)正在努力用完全合成的染色體取代剩余的天然染色體，每添加1條新染色體，就需要調(diào)試越來越復(fù)雜的系統(tǒng)，這意味著許多工作都需要重新來過。