半人工生命誕生，我們離成為“上帝”還有多遠(yuǎn)？

合成生物學(xué)是一門(mén)神奇的學(xué)科，它可以讓我們用工程的思維，設(shè)計(jì)和制造出全新的生物體。如今，科學(xué)家已經(jīng)成功地合成了酵母的全部16條染色體，并將其中一半放入了一個(gè)細(xì)胞中，創(chuàng)造出了一個(gè)半人工的酵母。他們還為這個(gè)酵母設(shè)計(jì)了一條新的染色體，讓它基因組更加穩(wěn)定的同時(shí)也能保證功能的完整。

這些成果是合成生物學(xué)的里程碑，也是人類(lèi)向完全人工合成的真核細(xì)胞邁進(jìn)的一大步。

撰文 | 顧舒晨

2023年11月8日，著名科學(xué)期刊Cell、Molecular Cell及Cell Genomics聚焦于同一主題，一口氣刊載10篇研究論文，介紹國(guó)際合作項(xiàng)目“人工合成酵母基因組計(jì)劃”（Sc2.0）。這批成果由來(lái)自美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)共同完成，文章詳細(xì)報(bào)道了8條全新的酵母染色體的全面合成和一條轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）染色體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與合成。

至此，Sc2.0已完成全部16條酵母染色體的人工合成，其中包括早先合成的6條以及尚未發(fā)表但已完成的2條染色體?？茖W(xué)家還將7.5條染色體成功地整合到了天然釀酒酵母的菌株中，這種半人工酵母擁有與野生的酵母菌株相似的生存和復(fù)制能力[1]。也就是說(shuō)，一半天然、一半人工合成的酵母細(xì)胞問(wèn)世！科學(xué)家還為酵母細(xì)胞編寫(xiě)設(shè)計(jì)了一條全新的染色體—— tRNA染色體[2]，這為創(chuàng)造出世界上第一個(gè)完全人工合成的真核細(xì)胞邁出了新的一步。

這些激動(dòng)人心的成果，都屬于一個(gè)嶄新的學(xué)科——合成生物學(xué)。如今，前述這一系列突破，意味著人類(lèi)已經(jīng)從對(duì)少數(shù)基因的修補(bǔ)，發(fā)展到了能夠從頭設(shè)計(jì)和構(gòu)建整個(gè)基因組。

合成生物學(xué)是什么？

合成生物學(xué)是近年來(lái)異軍突起的新興前沿交叉學(xué)科，被認(rèn)為是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類(lèi)基因組測(cè)序計(jì)劃”之后的第三次生物技術(shù)革命。2004年《麻省理工科技評(píng)論》把合成生物學(xué)評(píng)為將改變世界的十大技術(shù)之一，2010年Science也將其列為十大科學(xué)突破第二名。

它以基因工程、系統(tǒng)生物學(xué)、計(jì)算機(jī)工程等多學(xué)科為基礎(chǔ)，采用工程化的設(shè)計(jì)理念，對(duì)生物體遺傳物質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)、改造乃至全新合成，從而打破物種界限，創(chuàng)造人工生命體。合成生物學(xué)不僅有潛力幫助我們解決人類(lèi)社會(huì)面臨的諸多挑戰(zhàn)，而且能讓我們從“造物”這一全新的視角，來(lái)揭開(kāi)基礎(chǔ)生命科學(xué)的奧秘。

合成生物學(xué)的本質(zhì)在于設(shè)計(jì)和創(chuàng)造，無(wú)論是“改造已有的天然生物系統(tǒng)”還是“設(shè)計(jì)和建造新的生物元件、裝置和系統(tǒng)”，都是基于DNA進(jìn)行的。合成生物學(xué)的一般過(guò)程是“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)-再構(gòu)建”的研究循環(huán)。

科學(xué)家會(huì)先使用計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)要合成的DNA構(gòu)建。設(shè)計(jì)的DNA將被分為1–1.5kb的可合成片段（synthons）。合成片段可以通過(guò)單鏈寡核苷酸進(jìn)行組裝拼接合成，組裝成更大的DNA元件。組裝好的DNA需要進(jìn)行兩步驗(yàn)證：序列驗(yàn)證和將其轉(zhuǎn)化到細(xì)胞后的功能驗(yàn)證。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，進(jìn)行修改，重復(fù)測(cè)試循環(huán)，直到獲得所需要功能的DNA構(gòu)建體[3]。

然而，生命元件的組裝不像電路組裝那樣簡(jiǎn)單。雖然我們知道，生命體中的所有生命元件都是由DNA翻譯而來(lái)，但我們對(duì)很多元件缺乏深刻的了解。這些元件的功能也可能會(huì)因?yàn)闀r(shí)間、位置、條件等的不同而改變。因此，即使我們知道每一種元件的功能，當(dāng)我們將這些不同的生物元件組裝起來(lái)以后，它們的功能也可能會(huì)缺失或者“互不兼容”。

圖1合成生物學(xué)測(cè)試周期[3]。

2010-2020年，隨著生物技術(shù)和生物工程的發(fā)展，合成生物學(xué)飛速前進(jìn)。2010年，美國(guó)克雷格·文特爾研究所（J.Craig Venter Institute，縮寫(xiě)JCVI）的研究人員宣布構(gòu)建出了第一個(gè)人造細(xì)胞——“合成支原體”JCVI-syn1.0[4]。2021年該項(xiàng)目的研究人員更是宣布，在JCVI-syn1.0的基礎(chǔ)上人工合成了僅有473個(gè)基因的“最簡(jiǎn)化細(xì)胞”JCVI-syn3.0[5]。雖然支原體是原核細(xì)胞，相對(duì)于真核細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單很多，但支原體的人工合成依然激發(fā)了科學(xué)家的雄心， Sc2.0計(jì)劃也由此開(kāi)啟。

首次嘗試合成真核生物基因組

酵母是與人類(lèi)生活關(guān)系非常密切的一類(lèi)單細(xì)胞真核微生物，因?yàn)槠淝逦倪z傳背景，酵母也成為科學(xué)研究最常用的模式生物之一。早在1996年，科學(xué)家就完成了釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）全基因組測(cè)序，并發(fā)現(xiàn)該基因組總共約6000個(gè)基因，其中有5000個(gè)不是維持酵母生命活動(dòng)所必需的，可以進(jìn)行刪減和改寫(xiě)。

2007年，紐約大學(xué)的杰夫·博伊克（Jef D.Boeke）教授發(fā)起了一個(gè)全球化的真核生物研究合作項(xiàng)目——Sc2.0計(jì)劃。該項(xiàng)目分布在全球許多國(guó)家，其中美國(guó)和中國(guó)分別占總合成的28%和39%。2011年，Sc2.0計(jì)劃在美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)、新加坡、澳大利亞等國(guó)正式啟動(dòng)，該計(jì)劃旨在完成設(shè)計(jì)和化學(xué)再造完整的釀酒酵母的全部16條染色體，從而為系統(tǒng)性研究真核生物染色體提供應(yīng)用平臺(tái)。這是人類(lèi)首次嘗試對(duì)真核生物的基因組進(jìn)行從頭設(shè)計(jì)合成[6]。

為完成目標(biāo)，研究人員將從頭開(kāi)始合成酵母基因組，去除所有轉(zhuǎn)座子和重復(fù)元件，重新編碼終止密碼子，并將轉(zhuǎn)運(yùn)RNA基因搬到全新的染色體上，同時(shí)還要避免引起適應(yīng)性缺陷，并增加有助于染色體構(gòu)建和操作的特征。在Sc2.0計(jì)劃的設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然對(duì)基因序列進(jìn)行了堿基刪除、插入和替換，但原則上仍要保持合成菌株與天然菌株的相同表型，同時(shí)也要保證基因組的穩(wěn)定性。為了增強(qiáng)遺傳靈活性，科學(xué)家也對(duì)野生型的基因組序列進(jìn)行了優(yōu)化[6]。

2014年，博伊克教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建出了第一條人工酵母染色體（酵母染色體中最小的3號(hào)染色體）[7]。2017年，Sc2.0計(jì)劃國(guó)際協(xié)作組宣布完成了三分之一酵母基因組的設(shè)計(jì)與全合成，Science雜志以特刊形式進(jìn)行了報(bào)道[8]。這標(biāo)志著Sc2.0計(jì)劃向前推進(jìn)了一大步。

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)完成了16條染色體的合成，并分別創(chuàng)造出了16種部分合成的酵母菌株，即每種細(xì)胞內(nèi)包含15條天然染色體和1條合成染色體[1]?？茖W(xué)家還將含有不同合成染色體的酵母細(xì)胞進(jìn)行雜交，并在其后代中尋找攜帶兩條合成染色體的個(gè)體，逐漸將人工合成的染色體組合起來(lái)，形成一個(gè)完全合成的新細(xì)胞。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的雜交過(guò)程，現(xiàn)在已有6條完整染色體和1條染色體臂整合到了同一個(gè)細(xì)胞中，由此產(chǎn)生的擁有6.5條人工染色體的酵母菌株中合成的DNA占比超過(guò)31%，并且形態(tài)正常，與野生酵母相比，只表現(xiàn)出輕微的生長(zhǎng)缺陷[1]。

圖2 掃描電鏡下，擁有6.5條合成染色體的酵母細(xì)胞，表現(xiàn)出正常的外形和出芽行為[1]

為了增加染色體的置換效率，科學(xué)家還開(kāi)發(fā)了一種高效的染色體置換的新方法。他們用這個(gè)方法轉(zhuǎn)移了酵母染色體中最大的染色體（4號(hào)染色體，synIV），從而得到了一個(gè)擁有7.5條染色體的酵母細(xì)胞，其合成的DNA占比超過(guò)50%。雖然該酵母的染色體發(fā)生了巨大變化，但它仍可以存活并且可以復(fù)制[1]。

Sc2.0的主要目標(biāo)之一是提高酵母基因組的穩(wěn)定性。但天然的酵母細(xì)胞中有著大量的重復(fù)DNA，它們不編碼任何東西，卻能通過(guò)自然過(guò)程相互重組，導(dǎo)致基因組發(fā)生重大結(jié)構(gòu)變化并變得不穩(wěn)定。為了更好地控制酵母細(xì)胞，Sc2.0團(tuán)隊(duì)用計(jì)算機(jī)程序梳理了酵母的基因組，找到高度重復(fù)的DNA區(qū)域并刪除了它們，這其中就包括編碼tRNA的所有DNA片段。雖然這些DNA序列是不穩(wěn)定的，但它們所編碼的tRNAs對(duì)細(xì)胞的功能至關(guān)重要。因此科學(xué)家將編碼tRNA的全部基因集中到了一條新染色體——tRNA新染色體上，再將其添加到完全人工合成的酵母細(xì)胞里面[2]。這也為研究人員更好控制合成酵母菌，以及探索生物學(xué)極限提供了一種新方法。

當(dāng)然，這樣一個(gè)大體量的科研工程也并不是一帆風(fēng)順的。在項(xiàng)目初期，科研團(tuán)隊(duì)就經(jīng)歷過(guò)項(xiàng)目技術(shù)研發(fā)的挫折，不僅碰到了復(fù)雜的序列，造成了合成的難度，也有因?yàn)榛虮旧淼木幋a問(wèn)題而導(dǎo)致常規(guī)合成克隆無(wú)法完成。另外，當(dāng)基因組越來(lái)越大時(shí)，如何進(jìn)一步提升效率，降低成本，也是科學(xué)家們需要解決的問(wèn)題。項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中最耗時(shí)耗力的部分還包括合成缺陷的定位與修復(fù)，這也是合成酵母基因組的最大難點(diǎn)之一。相比其它合成基因組，合成酵母中涉及的序列數(shù)量多且復(fù)雜，其缺陷排查工作就像大海撈針一樣，需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證工作。但最終，多國(guó)科學(xué)家通過(guò)共同努力迎來(lái)了Sc2.0計(jì)劃的順利進(jìn)展，而把所有人工染色體放入同一個(gè)酵母中將會(huì)是未來(lái)的一個(gè)新挑戰(zhàn)。

基于前期Sc2.0研究的順利進(jìn)行，科學(xué)家也意識(shí)到我們可以對(duì)酵母基因組進(jìn)行更深層次的改造，用以研究特定的生物學(xué)問(wèn)題或者實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用目標(biāo)。因此，中國(guó)科學(xué)家戴俊彪研究員與英國(guó)曼切斯特大學(xué)的蔡毅之教授、美國(guó)紐約大學(xué)的博伊克教授共同牽頭發(fā)起了Sc3.0計(jì)劃。在該計(jì)劃中，科學(xué)家們將對(duì)酵母基因組進(jìn)行更精簡(jiǎn)和深度的設(shè)計(jì)，構(gòu)建首個(gè)最小酵母基因組，用以探索重大的生物學(xué)問(wèn)題，例如：有哪些酵母基因是可刪減卻不影響活性的？它們?cè)谶M(jìn)化上的意義是什么？在給定條件下，維持真核生命的最小基因組需要哪些功能、野生型基因組的組織形式是否具有重大的生物學(xué)意義、我們能否在基因組范圍內(nèi)對(duì)基因的排布和調(diào)控進(jìn)行人為的設(shè)計(jì)，等等。Sc3.0計(jì)劃的倡議和項(xiàng)目介紹也已于2020年刊發(fā)在Genome Biology雜志[9]。

現(xiàn)在人類(lèi)已經(jīng)能夠創(chuàng)造生命了么？

不，目前我們僅僅只是照著課本抄了一遍答案。本質(zhì)上這種合成的酵母細(xì)胞并沒(méi)有脫離自然界的基因模板，只是對(duì)已有的基因進(jìn)行了復(fù)制或修改，這不能說(shuō)是“從頭創(chuàng)新”，而只是基于圖譜的“再優(yōu)化”。每一點(diǎn)“優(yōu)化”都需要再深度驗(yàn)證是否會(huì)影響到酵母自身的生存活性。我們對(duì)生命的理解也遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到可以從頭創(chuàng)新的階段。目前，科學(xué)家雖然已經(jīng)能夠人工合成真核生物的基因組，但還不能將全部的人工基因組放入同一個(gè)真核細(xì)胞中。想要直接“從無(wú)到有”地構(gòu)建一個(gè)細(xì)胞，或者進(jìn)一步說(shuō)不依賴(lài)于自然界的基因序列設(shè)計(jì)出一系列全新的基因組，科學(xué)家還需要對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、基因的功能和調(diào)控有更深入的理解，對(duì)生命的本質(zhì)和起源有更清晰的認(rèn)識(shí)。

但我們依然在慢慢“顛覆”達(dá)爾文的進(jìn)化論，相較于Sc1.0（天然酵母），Sc2.0計(jì)劃可以作為工具，通過(guò)外源導(dǎo)入基因后，直接“造物”。從理論上說(shuō)，人工設(shè)計(jì)與合成酵母基因組及其后續(xù)的基因組快速進(jìn)化研究，不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)酵母全基因組功能研究，還能通過(guò)基因組隨機(jī)變化產(chǎn)生的酵母菌庫(kù)為研究酵母演化史提供大量的素材。另外，酵母與人類(lèi)的生活息息相關(guān)，它是釀酒和制作面包所必需的重要材料。在工業(yè)上，酵母能為我們生產(chǎn)很多物質(zhì)，比如通過(guò)在酵母中加入合成青蒿素的相關(guān)基因可以實(shí)現(xiàn)青蒿素的大量生產(chǎn)。未來(lái)我們還可以將一些其它微生物合成的物質(zhì)放到人造酵母里面進(jìn)行生產(chǎn)，如抗生素、味精甚至玻尿酸等等?？梢哉f(shuō)，人造酵母擁有很多改善人們生活的應(yīng)用潛力，在食物生產(chǎn)、藥物生產(chǎn)、生物能源、生物材料等領(lǐng)域都可以得到廣泛應(yīng)用。

2010年，“人類(lèi)基因組之父”克雷格·文特爾（Craig Venter）將一種名為絲狀支原體的微生物DNA進(jìn)行重組，并將新的DNA片段“粘”在一起，植入另一種細(xì)菌中制造了第一個(gè)所謂的“人造生命”[10]。雖然這一成果在當(dāng)時(shí)造成了不小的爭(zhēng)議，但他在這個(gè)“人造生命”的基因組中加入的一小段人類(lèi)的文本卻讓人印象深刻，“To live, to err, to fall, to triumph, to recreate life out of life”（去生活、去犯錯(cuò)、去失敗、去勝利，去用生命重新創(chuàng)造生命）。大自然創(chuàng)造了人類(lèi)世界，或許人類(lèi)也可以向著更美好的家園再創(chuàng)世紀(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] doi: 10.1016/j.cell.2023.09.025.

[2] doi: 10.1016/j.cell.2023.10.015.

[3] doi: 10.1101/cshperspect.a023812.

[4] doi: 10.1126/science.1190719.

[5] doi: 10.1016/j.cell.2021.03.008.

[6] doi: 10.1126/science.aaf4557.

[7] doi: 10.1126/science.1249252.

[8] SCIENCE VOLUME 355|ISSUE 6329|10 MAR 2017

[9] doi: 10.1186/s13059-020-02130-z.

[10] doi: 10.1126/science.1190719.

本文受科普中國(guó)·星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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