《Cell》打破世界记录！报道“人造”生命的奇迹

尽管只含有7.5条人工染色体，高度编辑的菌株仍然存活并复制。

　　

生物学家已经培育出一种酵母菌，其基因组中超过50%是人工合成的DNA。标准酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)将其遗传蓝图存储在16条染色体上。在新的菌株中，这些染色体中的6.5条是在实验室中编辑和合成的，另外一条是用编辑过的酵母遗传密码片段拼接在一起的。

这篇文章是有关一个从零开始构建真核合成基因组的项目——Sc2.0项目，该联盟15年来一直试图创造一种具有完全合成基因组的酵母菌株。。文章报告了一个重要里程碑的达成，即所有单独的Sc2.0染色体都已经被组装起来。接下来的步骤是巩固这些合成的染色体，这就是这篇文章的重点。

今天发表在《Cell》和《Cell Genomics》上的一组论文描述了该团队所取得的成就，以及它是如何制造新菌株的，以及它在酵母基因组上进行的其它测试。

文章描述了使用先进的内复制杂交与tRNA表达盒进行多重合成染色体的整合，生成了具有6.5个合成染色体的菌株。这种方法可以评估3D染色体组织和转录异构体的概况，使用了Hi-C和长读直接RNA测序。文章介绍了一种新的技术，称为CRISPR导向的双等位URA3辅助基因组扫描，或称为“CRISPR D-BUGS”。这项技术用于映射由特定设计师修改引起的表型变异，这些变异被称为“bugs”。文章首先细致映射了合成染色体II（synII）中的一个bug，然后发现了与synIII和synX相关的组合交互，揭示了一种意外的基因交互，这种交互连接了转录调控、肌醇代谢和tRNASerCGA丰度。为了加速整合过程，文章采用了染色体替代法整合了最大的染色体（synIV），从而在一个菌株中整合了Sc2.0基因组的50%以上。

一些病毒和细菌已经被改造成完全合成的基因组，但是它们都有简单的遗传结构——例如，细菌大肠杆菌只有一条染色体。它们也有一个简单的内部结构:例如，细菌是原核生物，这意味着它们是单细胞，没有细胞核来容纳染色体。如果包括来自亚洲、欧洲、北美和大洋洲实验室的研究人员组成的Sc2.0小组能够实现其目标，那么他们的工程酵母将是第一个拥有完全合成基因组的真核生物。(真核生物是一种细胞将遗传物质储存在细胞核中的生物，包括人类、植物和动物。)

Sc2.0团队希望操纵合成的酿酒酵母，以便有一天可以生产药物和燃料，而不是啤酒。但这项探索还有其他好处，纽约大学的合成生物学家、该项目的负责人eff Boeke说，通过在不干扰其生存的情况下调整生物体，“我们对酵母的生物学有了很多了解”。

Nili Ostrov是Cultivarium的首席科学官。Cultivarium是一家位于马萨诸塞州沃特顿的非营利性公司，专门为生物工程师开发工具。他说，Sc2.0“正在推动我们在生物工程领域所能达到的极限”。从历史上看，基因工程师一直专注于修改生物体中的单个基因。现在，生物学家可以看到当他们重新设计整个染色体时会发生什么。Ostrov说:“这让你可以问一些以前不能问的问题。”她说，在这个过程中，该项目正在开发可以推进生物工程的方法。

重写基因组

Sc2.0的主要目标之一是消除酵母基因组中潜在的不稳定来源。其中一个来源是大量的重复DNA，它们不编码任何东西，但可以通过自然过程相互重组，导致基因组发生重大结构变化。合成生物学家想要完全控制他们的工程酵母，所以这个团队用计算机程序梳理了酿酒酵母的基因组，找到高度重复的区域——然后删除它们。Boeke说，这些序列实际上是“基因组寄生虫”。

研究人员为减少不稳定性所做的另一项改变是从染色体中去除编码转移RNA的所有DNA片段，并将它们重新安置到完全合成的“新染色体”2中。转运RNA (tRNA )对细胞的功能至关重要——它们将氨基酸运送到一个利用这些分子制造蛋白质的装置。但是为它们编码的DNA序列“是不稳定的热点”。因此，将它们转移到它们自己的新染色体中，以获得更大的稳定性，是研究小组更好地控制合成酵母菌的一种方法，也是探索生物学极限的一种方法。

为了将7.5条合成染色体整合到一个细胞中，研究小组制作了酵母菌株，每个菌株都含有一条编辑过的染色体，以及其他15条自然版本的染色体。然后，他们培育了两种菌株，并选择了含有两种不同编辑过的染色体的后代。然后，这些菌株被培育加入另一条编辑过的染色体，以此类推。

Boeke说，即使染色体发生了巨大的变化，最终拥有7.5条染色体的细胞存活下来并可以复制。

Boeke说，虽然制造细胞的过程很耗时，但真正放慢速度的是调试。研究人员首先必须测试每个含有新合成染色体的酵母细胞是否有活力——这意味着它可以存活并正常运作——然后通过调整遗传密码来解决任何问题。当两个或更多的合成染色体位于同一细胞中时，这可能导致必须修复的新错误，因此随着过程的进行，调试问题变得更加复杂。

Ostrov 说，Sc2.0项目使科学家能够测试以前不可能的问题，例如，“当你引入以前不存在的染色体时会发生什么?”

Boeke说，该团队现在正在努力用完全合成的染色体取代剩余的天然染色体，每次添加一条新染色体，然后调试越来越复杂的系统。“这将需要大量的工作重新来过。”

总的来说，这篇文章提供了对Sc2.0项目的重要更新，并介绍了一些在合成生物学和基因组学领域的创新技术。这些技术不仅有助于巩固合成染色体，也为未来研究和理解真核生物基因组的复杂性和调控提供了强大的工具。这篇文章是一个很好的例子，展示了科学研究的进步，以及新技术如何推动我们对生命科学的理解。