從馴化到選擇性育種，再到DNA編輯，人類長(zhǎng)期以來一直試圖將動(dòng)植物的遺傳構(gòu)成轉(zhuǎn)化為我們的需求?，F(xiàn)在，一個(gè)國(guó)際研究小組已經(jīng)邁出從頭開始構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體的基因組中的顯著一步-一個(gè)魔女[R里程碑追求全合成生命。

由紐約大學(xué)Langone醫(yī)學(xué)中心的遺傳學(xué)家Jef Boeke領(lǐng)導(dǎo)，合成酵母項(xiàng)目(Sc2.0)現(xiàn)在為單細(xì)胞真菌釀酒酵母建立了五個(gè)新的合成染色體，通常稱為貝克酵母。

Boeke的實(shí)驗(yàn)室之前曾在2014年合成了第一個(gè)合成酵母染色體，這意味著超過三分之一的有機(jī)體基因組-總共有16條染色體-現(xiàn)已被工程替代品取代。該聯(lián)盟還完成了整個(gè)基因組的設(shè)計(jì)，并期望在一年內(nèi)合成所有染色體的工作版本。

Sc2.0并不是創(chuàng)造合成生命的第一個(gè)主要努力。2010年，遺傳學(xué)家Craig Venter制造了Mycoplasma mycoides細(xì)菌的整個(gè)基因組，并將其移植到另一種支原體物種中，創(chuàng)造了第一個(gè)自我復(fù)制的合成生物。這個(gè)基因組幾乎與原始基因組相同，但去年他的團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一項(xiàng)新的研究，他們將有機(jī)體的基因組削減到了473個(gè)基因-生命所需的基本骨骼。

盡管這些壯舉令人印象深刻，但是M. mycoides遠(yuǎn)比酵母簡(jiǎn)單，只有一條染色體。酵母是一種真核生物，包括所有復(fù)雜的生命類植物和動(dòng)物-并且也是關(guān)鍵過程的核心，如烘焙，釀造以及最近合成化學(xué)品。

該生物體已被遺傳修飾以質(zhì)量-產(chǎn)生胰島素，抗生素，疫苗，生物燃料和甚至香水。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)表明酵母可以調(diào)整以生產(chǎn)各種各樣的化學(xué)物質(zhì)，甚至還用于在微生物燃料電池中發(fā)電。

所有這些都是通過已建立的基因工程方法完成的，其中生物體DNA的部分被來自其他地方的有用基因取代。但是，從底層開始構(gòu)建生物體整個(gè)基因組的能力可以讓科學(xué)家更好地控制酵母能夠產(chǎn)生什么。

“這項(xiàng)工作為完成設(shè)計(jì)師合成基因組奠定了基礎(chǔ)，以解決醫(yī)藥和工業(yè)中未滿足的需求，”Boeke在一份新聞稿中說。“超越任何一個(gè)應(yīng)用程序，該文件證實(shí)，新-創(chuàng)建系統(tǒng)和軟件可以在活細(xì)胞中的染色體重編程回答有關(guān)遺傳機(jī)制的性質(zhì)基本問題。”

上周四3月9日發(fā)表在“科學(xué)”雜志特刊上的七篇論文中揭示了這一突破，其中包括來自世界各地實(shí)驗(yàn)室的200多位作者。在主紙，喬爾·巴德，生物醫(yī)學(xué)教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的工程在醫(yī)學(xué)約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院，介紹一下如何在合成基因組進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使其更容易對(duì)操縱。

通過去除非編碼DNA，新基因組比天然基因組大約小8%，還包括17個(gè)而不是16個(gè)染色體。這是因?yàn)樗薪湍傅霓D(zhuǎn)移RNA(tRNA)-在構(gòu)建蛋白質(zhì)時(shí)負(fù)責(zé)將氨基酸置于正確的順序-通常通過基因組擴(kuò)散，所有這些都被放入一個(gè)額外的染色體中。這有助于提高基因組的穩(wěn)健性，因?yàn)閠RNA眾所周知地不穩(wěn)定并且由于它們被轉(zhuǎn)錄的頻率而易于發(fā)生突變。

新設(shè)計(jì)還包括一個(gè)稱為SCRaMbLE的生化系統(tǒng)，可以更容易地定制染色體。整個(gè)基因組中放置的大約5,000個(gè)DNA標(biāo)簽可以用突變進(jìn)行靶向，該突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)隨機(jī)修改生物體的遺傳密碼。然后科學(xué)家們可以看出這些變化是否會(huì)產(chǎn)生任何理想的特征，例如產(chǎn)生有趣的新化學(xué)物質(zhì)或能夠在極端環(huán)境中生存的菌株。

“我們正在縮短數(shù)百萬年的進(jìn)化時(shí)間，”愛丁堡大學(xué)實(shí)驗(yàn)室正在建造第17條染色體的Patrick Cai告訴連線。“我們的目標(biāo)不是設(shè)計(jì)一種特殊的酵母，而是一種適合工程化的酵母。”

該項(xiàng)目核心的國(guó)際合作的關(guān)鍵是創(chuàng)建一個(gè)名為BioStudio的軟件。該程序?qū)嶋H上是一個(gè)版本控制軟件，允許多個(gè)用戶同時(shí)編輯基因組并接受和拒絕變更。最重要的是，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，它允許對(duì)以前的設(shè)計(jì)進(jìn)行“回滾”。

這個(gè)翻譯代碼到現(xiàn)實(shí)生活中的染色體遵循類似的漸進(jìn)的過程，隨著基因組的小塊被相繼引入活酵母這是進(jìn)行比較對(duì)天然酵母看到修改后的菌株怎么辦。如果合成酵母遇到問題，研究人員知道哪個(gè)部分帶有故障并且可以返回并“調(diào)試”錯(cuò)誤的代碼。

該研究最令人印象深刻的一個(gè)方面是該組織對(duì)有機(jī)體的遺傳密碼進(jìn)行了大規(guī)模的改變。“事實(shí)上，他們能夠在五條不同的染色體上做到這一點(diǎn)，并且健康仍然與野生型細(xì)胞類似，這非常令人印象深刻，”合成基因組學(xué)的合成基因組學(xué)公司的丹吉布森說，他是另一種酵母物種合成染色體的生物技術(shù)公司。新科學(xué)家。

然而，基因組合成并不簡(jiǎn)單或便宜。哈佛大學(xué)的遺傳學(xué)家喬治·丘奇告訴大自然，它不可能取代像CRISPR這樣的工具-一種基因工程的主力，通過添加或去除DNA的短片段來進(jìn)行有針對(duì)性的遺傳編輯-除了最復(fù)雜的遺傳密碼重寫之外的其他任何東西。

盡管如此，該研究大大擴(kuò)展了基因工程可能的范圍。“他們已經(jīng)能夠在代碼中引發(fā)根本性的變化，因此它會(huì)使你更加激進(jìn)，”教會(huì)說。