这一原核细胞具有生命活性,遗传信息全部由人工合成,打破了生命自然遗传规律,证明了人工合成生命的可行性,成为合成生物学发展史上的一个里程碑。
“辛西娅”是原核生物中最为简单的支原体,遗传信息相对于真核生物细胞来说十分简单。生物学划分生物种类最大的界别依据并不是植物和动物,也不是多细胞和单细胞生物,而是原核生物和真核生物。
顾名思义,真核和原核的最大区别就是是否有成型的细胞核。像生活中无处不在的细菌就属于原核生物,它们的遗传物质漂浮在细胞内。真菌、动植物等真核生物拥有完整的细胞核,核内有染色体,染色体上有着生命遗传信息的集大成者——DNA。
真核细胞的DNA丰富庞杂,通常会包含数亿甚至数十亿碱基对信息,合成一个真核生物染色体是一项非常艰巨的任务。
在合成“辛西娅”这一原核生命之后,科学家们将目光转向了生物学研究中的模式真核单细胞生物——酿酒酵母。
在日常生活中,酵母离我们并不远,做馒头、做面包、酿酒都会用到。酵母还能用于生产抗体、蛋白药物、小分子药物以及生物燃油。
“我们设计酵母时有几个原则:让基因组具有更好的稳定性、更好的操作柔性和可变性。酵母有三分之一的基因和人类基因有同源性,酵母体系一旦再造,对整个人类疾病的研究也是一个利好消息。”吴毅说。
“‘辛西娅’只有一条环形的染色体,而酵母有16条线性染色体。酵母属于真核生物中的模式生物,本身有很高的理论研究价值和广泛的工业应用。一旦攻克了酵母基因组的合成,就可以进行其他超大基因组的合成。”元英进说,若想要实现真正意义上的“人造生命”,真核生物的染色体合成是必须要跨越的一步。
为推进真核酵母染色体的人工合成研究,“人工合成酵母基因组计划(Sc2.0)”应运而生,该项目由美国科学院院士杰夫·伯克发起,有美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作,致力于设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组。
在国际合作组的通力协作下取得了突破性进展:继2014年美国科学家人工合成酵母3号染色体后,5条酵母人工染色体合成也被攻克,中国科学家完成了其中的4条。该重量级成果于2017年3月10日发表在权威学术期刊《科学》上。
中国科学家在合成生物学这个交叉学科领域后来居上,正在由“跟跑”“并跑”转向“领跑”。
元英进是Sc2.0计划的国际化推动者及中国最早参与者,领队攻克2条酵母染色体人工合成,他的团队以第一作者和通讯作者身份在《科学》上发表了两篇文章。
“酿酒酵母基因组合成国际计划将人工合成生命的研究,由病毒和原核生物拓展提升到了真核生物,使得基因组人工设计和合成的尺度大大提升。”元英进说。