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在中科院分子植物卓越中心／植生生態(tài)所合成生物學(xué)重點實驗室內(nèi)，覃重軍團隊在一起學(xué)習(xí)交流（7月31日攝）。?新華社記者 丁汀 攝
新華社上海８月２日電題：人造單條染色體真核細(xì)胞問世 我國開啟合成生物學(xué)研究新時代
新華社記者王琳琳、張泉
１９６５年，我國科學(xué)家在世界上首次人工合成出與天然分子化學(xué)結(jié)構(gòu)相同、有完整生物活性的蛋白質(zhì)——結(jié)晶牛胰島素，開辟了人工合成蛋白質(zhì)的時代。
５０多年后的今天，我國科學(xué)家在最新一期國際科學(xué)期刊《自然》上發(fā)表論文，宣布首次人工創(chuàng)造出有生命活性的單染色體真核細(xì)胞，開啟了合成生物學(xué)研究的新時代。
在中科院分子植物卓越中心／植生生態(tài)所內(nèi)，覃重軍（右）與團隊成員在實驗室里交流（7月31日攝）。新華社記者 丁汀 攝
人類能否創(chuàng)造生命？此次突破意義何在？
人造纖維、人造衛(wèi)星、人造材料……在我們的潛意識里，只要是人造的東西都是沒有生命的。人類真能“創(chuàng)造”出生命嗎？
?。保梗梗赌辏寺⊙颉岸嗬闭Q生。人們認(rèn)為，這就是所謂的“人造生命”。然而，科學(xué)共同體認(rèn)為，克隆僅僅是“復(fù)制”了已有的生命體，還不是真正意義上的“創(chuàng)造”。人造生命，應(yīng)該是利用生命體性狀由遺傳基因決定的原理，通過人工設(shè)計并合成新的遺傳基因，“從頭到腳”創(chuàng)造與地球現(xiàn)有生命體均不同的全新生命體。
因此，從這個意義上講，“１００％人造生命”還遠(yuǎn)未出現(xiàn)。但我國科學(xué)家的最新研究成果足以稱得上這條“長征路”上的重要突破，意義非凡。
中科院分子植物卓越中心／植生生態(tài)所合成生物學(xué)重點實驗室覃重軍團隊以釀酒酵母為實驗對象，采用工程化精準(zhǔn)設(shè)計方法，使用ＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９基因編輯技術(shù)對釀酒酵母１６條染色體的全基因組進行了大規(guī)模修剪、重新排列，最終“創(chuàng)造”了將幾乎所有遺傳信息融合進１條超長線型染色體的酵母細(xì)胞。“體檢報告”表明，雖然動了“大手術(shù)”，但“全新版”酵母細(xì)胞的生長、功能和基因表達均與天然酵母相似。
中科院深圳先進技術(shù)研究院研究員戴俊彪認(rèn)為，這一結(jié)果表明，自然進化而成的現(xiàn)有真核生物（至少釀酒酵母）染色體數(shù)目與功能之間并不存在直接的決定關(guān)系，染色體的數(shù)目可以進行人為改變，同時對細(xì)胞生長不造成顯著的影響。這顛覆了“染色體的天然三維結(jié)構(gòu)決定基因表達”的傳統(tǒng)觀念。
與前人對單個染色體或一條長鏈ＤＮＡ進行小修、小補、小合成不同的是，業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，該成果實現(xiàn)了對一個物種的染色體數(shù)目進行系統(tǒng)和大規(guī)模改造。這表明，天然復(fù)雜的生命體可以通過人工改造變簡約，最終實現(xiàn)“人造”自然界中不存在的全新生命。
在中科院分子植物卓越中心／植生生態(tài)所內(nèi)，覃重軍在講述關(guān)于人造單條染色體真核細(xì)胞的研究內(nèi)容（7月31日攝）。 新華社記者 丁汀 攝
染色體數(shù)目“１６合１”，目的何在？
在生物教科書中，自然界中的生命體按細(xì)胞結(jié)構(gòu)劃分，可分為真核生物和原核生物。真核生物細(xì)胞通常有多條線型染色體，原核生物細(xì)胞一般有１條環(huán)型染色體。面包發(fā)酵和釀酒過程中使用的酵母是生物研究中最常使用的典型真核生物。
?。玻埃保衬辏翟拢溉?，覃重軍大膽猜想，真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的劃分并非“涇渭分明”，二者完全可以相互跨越。即，真核細(xì)胞也可以改造成１條線型、甚至是環(huán)型的染色體，裝載所有遺傳物質(zhì)、完成正常細(xì)胞功能。于是這一天，他將自己的猜想寫進了筆記本。
隨后，他與副研究員薛小莉設(shè)計了精準(zhǔn)的工程設(shè)計總體方案，博士生邵洋洋從２０１３年開始研發(fā)高效的染色體融合操作方法。２０１６年１０月，團隊成功合成出第一個單染色體真核酵母細(xì)胞，而后都在對其進行“系統(tǒng)體檢”。
自然科研機構(gòu)中國區(qū)總監(jiān)保羅·埃文斯說，盡管融合操作顯著改變了三維染色體結(jié)構(gòu)，但經(jīng)證實，改造后的酵母細(xì)胞出乎意料地穩(wěn)健，在不同的培養(yǎng)條件下，沒有表現(xiàn)出重大的生長缺陷。
“天然酵母染色體的遺傳基因有許多重復(fù)序列，這增加了細(xì)胞的不穩(wěn)定性，容易導(dǎo)致突變或變異。而我們創(chuàng)造的全新酵母細(xì)胞刪除了這些重復(fù)序列，化繁為簡?！瘪剀娬f。
他透露，將酵母染色體數(shù)量“１６合１”的最終目的是發(fā)現(xiàn)自然界中復(fù)雜現(xiàn)象背后的規(guī)律內(nèi)核，最終用于治療人類疾病。“在保證細(xì)胞正常存活的前提下，染色體數(shù)目簡化得越多，越容易更精準(zhǔn)地找到生命體的遺傳密碼到底哪些可變、哪些不可變?！?/p>
在中科院分子植物卓越中心／植生生態(tài)所內(nèi)，覃重軍在講述關(guān)于人造單條染色體真核細(xì)胞的研究內(nèi)容（7月31日攝）。 新華社記者 丁汀 攝
單染色體真核細(xì)胞已問世，然后呢？
人工智能的到來引起了人類的恐慌，強大的機器讓人們擔(dān)心終有一天我們將被機器統(tǒng)治，而單染色體真核細(xì)胞的問世或許也會從另一個角度引起人們的憂慮。未來某一天，人類會不會創(chuàng)造出比自身更強大的生命？
對此，覃重軍表示，目前人類對生命基因組遺傳密碼的運轉(zhuǎn)機制所知甚少?！胺肿由飳W(xué)的發(fā)展讓我們對單個基因有了一定了解，但他們彼此間如何協(xié)作、又怎樣變化我們知道很少。目前，我們處在簡單模仿自然的水平，真的去創(chuàng)造尤其是脫離大自然的‘藍(lán)本’去創(chuàng)造幾乎不可能，所以距離‘１００％人造生命’還差得很遠(yuǎn)?！?/p>
大手筆改造酵母染色體基因組的過程中，覃重軍深深感慨于自然的神奇?！拔⑸锏淖兓浅？欤闵宰龈膭?，大自然就會以完全嘲笑人類理解能力的方式，變化出更多可能?！?/p>
他認(rèn)為，科學(xué)家一定要有堅定的倫理操守?！皥詻Q不能做致病生物的改造，因為你不知道最終會出現(xiàn)什么結(jié)果。所以我們拿釀酒酵母這種可食用的微生物做改造，目的是找到阻止其變異、惡化的解決辦法?！?/p>
酵母三分之一基因與人類同源，人造單染色體真核酵母細(xì)胞的誕生為研究人類染色體異常疾病提供了重要模型。端粒是染色體末端的保護結(jié)構(gòu)，端粒的長短與過早衰老、基因突變、腫瘤等疾病形成有關(guān)。單染色體真核酵母細(xì)胞僅有２個端粒，這為研究上述疾病也提供了很好的研究基礎(chǔ)。下一步，科研團隊將借助該模型研發(fā)人類染色體缺陷或倍增等相關(guān)疾病的治愈方法。
此外，保羅·埃文斯認(rèn)為，人造單染色體真核酵母細(xì)胞也可成為研究染色體生物學(xué)基本概念的強大資源，包括染色體的復(fù)制、重組和分離，這些都是生物學(xué)領(lǐng)域十分重要的主題。
在中科院分子植物卓越中心／植生生態(tài)所內(nèi)，覃重軍（右）與團隊成員邵洋洋在實驗室內(nèi)研究交流（7月31日攝）。新華社記者 丁汀 攝
“創(chuàng)造”單染色體真核細(xì)胞，合成生物學(xué)如何邁入新時代？
人造生命對應(yīng)的學(xué)科叫合成生物學(xué)。如果說基因編輯還是對生命遺傳物質(zhì)的“小修小改”，那么合成生物學(xué)則是“推倒重來”。
本世紀(jì)初，合成生物學(xué)在基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科基礎(chǔ)上逐漸形成。經(jīng)過多年不懈努力，我國已形成初具規(guī)模的合成生物學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品開發(fā)團隊，一大批重點實驗室和研究中心相繼建立。
?。玻埃保纺辏吃?，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》以封面文章形式發(fā)表了美、中、英等多國科研機構(gòu)共同參與的“人工合成酵母染色體項目”的部分成果，他們用化學(xué)方法合成了５條酵母染色體，其中，中國科學(xué)家合成了４條，相比“人類基因組計劃”中國科學(xué)家所承擔(dān)的１％基因測序有了大幅進步。
此次成果不僅完全由中國科學(xué)家獨立完成，而且對酵母全部１６條染色體進行大剪大拼，最終合成為１條，可謂在去年前人的工作基礎(chǔ)上又邁出了一大步。
如果說在“人工合成酵母染色體項目”中，我國科學(xué)家扮演了“挑大梁”的角色，那么在此次“單條染色體真核酵母細(xì)胞”的合成中，我國科學(xué)家掌握了核心關(guān)鍵技術(shù)，獲得了國際同行的廣泛認(rèn)可。
接下來，合成生物學(xué)如何邁入新時代？覃重軍認(rèn)為，“思想上大膽創(chuàng)新＋工程上精細(xì)實施”，是未來中國合成生物學(xué)取得重大突破不可缺少的兩大因素?！拔鞣胶铣缮飳W(xué)的研究模式強調(diào)精細(xì)化工程實施，但只有工程實施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，敢于跳出權(quán)威束縛、有原創(chuàng)思想引領(lǐng)才是保持領(lǐng)先優(yōu)勢的關(guān)鍵?！?/p>
此外，業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)為，要對合成生物學(xué)可能帶來的負(fù)面影響與國際同行加強倫理討論、建立預(yù)警機制、完善監(jiān)管制度。生命是大自然的“作品”和生物長期進化的結(jié)果。下一步，合成生物學(xué)要對生物種類、生命基因的改動設(shè)置明確的“紅色警戒線”，謹(jǐn)防破壞既有生態(tài)系統(tǒng)、引發(fā)生物安全風(fēng)險。
