首例人造单染色体生物诞生 我科学家打开“改造”生命的大门

人类能创造生命吗？“上帝”的特权能被人类控制吗？以与人类有1/3同源基因的真核模型酿酒酵母为切入点，将其天然的16条染色体融合并转化为一条巨型染色体。合成生物学领域的“奇妙”结构设计和工程实现终于实现了梦想！

合成生物学的里程碑式突破

覃重军的团队及其合作者，来自中国科学院分子植物科学卓越中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室的研究人员，在世界上首次创造了具有单一染色体的真核细胞。这项成果发表在8月2日的《自然》杂志上。这是合成生物学领域的一个里程碑式的突破，打开了“改变”生活的大门。

大自然的边界能被打破吗？一个单一的染色体生物体能被制造出来并具有正常的功能吗？这个大胆的假设吸引了科学家们上下搜索。

2010年，美国科学家J.CraigVenter的团队在《科学》杂志上报道说，世界上第一个“人工生命”——支原体原核，包含所有人工化学合成，几乎与天然染色体序列相同，引起了轰动。这一次，由覃重军研究小组领导的研究小组完成了具有16条染色体完整功能的单细胞真核酿酒酵母的人工创造。这项工作表明，通过人工干预可以简化自然复杂的生命系统，人类可以打破自然生命的界限，甚至可以人工创造出自然界中不存在的全新生命。

生物学教科书将自然界存在的生物分为真核生物和原核生物，真核生物的染色体核被核膜包围，原核生物的核膜裸露。染色体携带生命生长和繁殖的遗传信息。真核生物通常含有多条线性结构的染色体，而原核生物通常含有一条环状结构的染色体。在这项研究中，覃重军假设真核生物也可以用一条线性染色体来装载所有遗传物质，完成原核生物那样的正常细胞功能，并与薛晓丽副研究员的“工程精度设计”一起定制了人工一溴酵母的指导原则和理性分析、实验设计和工程推广的总体方案。邵博士于2013年开始尝试和开发高效的染色体操作方法。4年后，通过15轮染色体融合，成功培育出只有一条线性染色体的酿酒酵母菌株SY14。此后，研究组与中国科学院合成生物学重点实验室研究员研究组、中国科学院生物化学与细胞生物学研究所研究员周研究组、武汉菲沙基因信息有限公司和军事医学科学院研究员赵志虎进一步合作，进一步鉴定SY14的代谢、生理和生殖功能及其染色体的三维结构。

这项成就的研究小组负责人覃重军说，研究小组将16条自然染色体融合成一条，可以看到染色体结构的巨大变化。然而，细胞生长与原始细胞相同，功能也几乎相同，只是通过减数分裂的有性生殖略有减少。今后将进一步研究这种情况。从基础研究的角度来看，一种简化的生命形式已经被创造出来。

所有论文都是由中国科学家独立完成的。

本研究的发现颠覆了传统的认为染色体三维结构决定基因时空表达的观点，揭示了染色体三维结构与细胞生命功能实现之间全新的关系。

这一研究成果是通过经典分子生物学的“假设驱动”和合成生物学的“工程研究模式”探索和分析生命起源和进化中的重大基础科学问题的新范例。通过人工修饰以新的简化形式表达天然和复杂的酵母染色体是继原核细菌“人工生命”之后的重大突破。在20世纪60年代人工合成晶体牛胰岛素和tRNA之后，中国学者再次用合成科学的策略回答了生命科学领域的一个重大基础问题:一溴酵母的“诞生”，以及中国科学家参与的酵母染色体的人工合成。

生物进化从简单到复杂，人、动物、植物、真菌、酵母都是真核生物。其中，人类有23对染色体，老鼠有20对，水稻有12对。酿酒酵母是迄今为止研究最彻底的真核细胞之一。这是研究染色体异常的一个重要模型。三分之一的基因与拥有23对染色体的人类基因同源。端粒是线性染色体末端的保护结构。随着细胞分裂数量的增加，端粒的长度逐渐缩短。当端粒变得太短时，细胞就会死亡。人类的早衰与染色体的端粒长度直接相关。此外，端粒缩短还与许多疾病有关，如基因突变和肿瘤形成。与天然酵母的32个端粒相比，覃重军研究小组人工创造的单一线性染色体只有2个端粒，为研究人类端粒功能和细胞衰老提供了一个很好的模型。此外，研究成果还将应用于生产工厂中“超级营养”酿酒酵母的工业化生产。

中国自然科学研究中心主任保罗·埃文斯(Paul evans)表示，这篇《自然》论文是由中国科学家独立完成的，展示了中国在建立可持续的科学研究生态系统方面所做的努力和取得的重大成就，也为探索生命起源和进化的重大基础科学问题开辟了新的方向。

该研究得到了中国科学院战略性科技先导项目“细胞命运可塑性的分子机制和调控”以及国家自然科学基金和科技部的支持。