中國“創造”世界首例單條染色體真核細胞

中國“創造”世界首例單條染色體真核細胞

 

覃重軍團隊及學生在中科院分子植物卓越中心/植生生態所合成生物學重點實驗室內(7月31日攝)。中科院研究團隊在國際上首次人工建立了單條染色體的真核細胞,是繼原核細菌“人造生命”之後的一個重大突破。北京時間8月2日,該成果在國際知名學術期刊《自然》線上發表。 新華社記者 丁汀 攝

 

人類能否創造生命?2010年,美國科學家J.Craig Venter和他的科研團隊在《科學》雜誌報道了世界上首個“人造生命”——含有化學人工全合成的與天然序列幾乎相同的染色體的原核生物支原體,引起了全世界轟動。記者今天獲悉,中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所合成生物學重點實驗室覃重軍研究團隊與合作者在國際上首次完成了將真核釀酒酵母天然的16條染色體人工創造為有功能的單條巨大染色體。該項工作表明,天然複雜的生命體系也可以通過“人造”變簡約,自然生命的界限可以被人為打破,甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命。該成果於北京時間8月2日在國際頂尖學術期刊《自然》線上發表,是“人造生命”領域具有里程碑意義的重大科技突破。

 

中國“創造”世界首例單條染色體真核細胞

 

8月2日,中科院分子植物卓越中心/植生生態所研究員覃重軍在釋出會上解讀研究成果。

 

生物學教科書中將自然界存在的生命體分為真核生物和原核生物。染色體攜帶了生命體生長與繁殖的遺傳資訊,真核生物通常含有線型結構的多條染色體,比如人類有23對染色體,而原核生物通常含有環型結構的一條染色體。對此,覃重軍研究員有不一樣的想法,他大膽假設真核生物也能像原核生物一樣,用一條線型甚至是一條環型的染色體裝載所有遺傳物質並完成正常的細胞功能。在“大膽猜想”之後,他與薛小莉副研究員“工程化精準設計”制定了人造酵母染色體的指導原則、理性分析與詳細實驗設計、工程化高效推進的總體方案,博士生邵洋洋從2013年開始嘗試並發展高效的染色體操作方法。歷經4年時間,通過15輪染色體融合,成功將天然釀酒酵母單倍體細胞的16條染色體融合為1條,染色體“16合1”後的釀酒酵母菌株被命名為SY14。覃重軍研究團隊與中科院生物化學與細胞生物學研究所周金秋研究員、中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所合成生物學重點實驗室的趙國屏院士、武漢菲沙基因資訊有限公司及軍事醫學科學院趙志虎研究員等團隊合作,發現雖然人工合成的單條線型染色體酵母細胞的染色體三維結構發生了巨大變化,但卻具有正常的細胞功能,顛覆了染色體三維結構決定基因時空表達的傳統觀念,揭示了染色體三維結構與實現細胞生命功能的全新關係。

 

該研究成果首次通過經典分子生物學“假設驅動”與合成生物學“工程化”方法來探索解析生命起源與進化中的重大基礎科學問題。覃重軍認為,合成生物學的目標是“重構簡小化、模組化、定量化、最優化的基因組”。在“人造生命”領域的思想、理論、工程和技術等方面勇於創新、大膽實踐,將天然複雜的生命形式通過人工改造以全新的簡約化的形式表現出來,實現“人造”全新生命。單染色體真核細胞的“誕生”打破了教科書中原核生物與真核生物的界限。

 

中國“創造”世界首例單條染色體真核細胞 

 

在中科院分子植物卓越中心/植生生態所內,覃重軍團隊成員在電子顯微鏡前觀察單條染色體真核細胞形態(7月31日攝)。

 

中國“創造”世界首例單條染色體真核細胞

 

  在中科院分子植物卓越中心/植生生態所合成生物學重點實驗室內拍攝的單條染色體真核酵母(7月31日攝)。

 

記者瞭解到,釀酒酵母三分之一基因與人類基因同源。人類的過早衰老與染色體的端粒長度直接相關,端粒的縮短還與許多疾病相關。與天然酵母的32個端粒相比,SY14酵母的單條線型染色體僅有2個端粒,為研究人類端粒功能及細胞衰老提供了很好的模型。周金秋副所長提到,如果能將癌細胞的端粒變短,便可以在癌症方面取得重大突破。覃重軍稱,以後將會運用該單染色體細胞平臺著手以上疾病方面的研究。自然科研中國區總監保羅·埃文斯稱:“這些酵母菌株也可稱為研究染色體生物學基本概念的強大資源,這些概念包括染色體的複製、重組和分離,這些都是生物學領域長期以來十分重要的主題。”

 

覃重軍研究團隊人工創造的單條線型染色體真核細胞將對未來合成生物學的研究造成深遠影響。融合染色體酵母菌株對生物學基本概念研究具有巨大的意義,並且可以基於此建立人類染色體端粒與細胞衰老、腫瘤形成的模型。覃重軍認為合成生物學精確、高效的科學理念和大膽假設的勇氣是成功的關鍵。中國科學家再次利用合成生物學技術回答了生命科學一個重大的基礎問題,他們打開了“生命的大門”,為生命科學的研究開闢了一條嶄新的道路。光明日報上海8月2日電(記者顏維琦、 齊芳 通訊員黎子承)