Science：科学家培育合成酵母染色体
由美、英、法等多国研究人员组成的科研小组２７日宣布，他们成功合成了第一条能正常工作的酵母染色体。这一成果被誉为攀上了合成生物学的新高峰，也是向合成人造微生物等生命体迈出的一大步。
研究人员在新一期《科学》杂志上报告说，他们利用计算机辅助设计技术，历时７年成功构造了源于酿酒酵母的被称作ｓｙｎＩＩＩ的染色体，尽管合成的仅仅是酿酒酵母１６条染色体中最小的一条，但这是通往构建一个完整的真核细胞生物基因组的关键一步。
最让研究人员自豪的是这条染色体被成功整合进活体酵母细胞之中。研究负责人、美国纽约大学的杰夫·伯克说：“携带这条合成染色体的酵母细胞相当正常，它们与野生酵母细胞几乎一模一样，只是它们还拥有一些新的能力，能够完成野生酵母无法完成的事件。”伯克认为，这是一项具有里程碑意义的研究成果，“就像第一个人类基因组被测序完成一样”。
２０１０年，美国科学家克雷格·文特尔曾宣布，培育出第一个由人工合成基因组控制的细胞，引起广泛争论。有科学家表示，文特尔的工作是在细菌中完成的，对象只是原核生物，而本次研究是第一次合成了完整的真核生物染色体，且复杂性远高于前者。
染色体ｓｙｎＩＩＩ在酵母中的原始版本拥有近３２万个碱基对，伯克等人进行了５００多处修改，删除了近４.８万个被认为对染色体复制和生长没有用处的重复碱基对，还删除了一些被称为垃圾ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）的序列，比如不能编码任何蛋白质的序列及能够任意移动并可能导致变异的“跳跃基因”片段，最终构建的染色体拥有约２７万个碱基对。
“改变基因组就像赌博。一个错误的变化，就可能杀死细胞”，伯克说，“而我们的酵母仍然活着，这非常重要，说明我们的合成染色体生命力顽强，赋予酵母新的属性。”
研究人员说，这项成果将有助于更快地培育新的酵母合成菌株，用于制造稀有药物，包括治疗疟疾的青蒿素或治疗乙肝的疫苗等。此外，合成酵母还能用于生产更有效的生物燃料，如乙醇、丁醇和生物柴油等。伯克说：“我们的研究实现了合成生物学从理论到现实的转变。”
据英国每日邮报报道，目前，科学界朝向培育人造生命迈出了具有里程碑意义的重要一步！现已成功培育一种功能性合成酵母染色体。
这项研究突破了细菌和病毒的限制，在合成生物学领域获得了重大突破，科学家通过剥离“垃圾DNA”，改进了酵母染色体设计，并表示这项技术可赋予染色体新的属性。
虽然该研究尚处于初期阶段，创造的人造酵母菌株可用于医学、疫苗，甚至是生物燃料。染色体是微型DNA集合体，所包含的基因被称为“生命之书”，此前，科学家培育出人造细菌染色体，例如：病毒脱氧核糖核酸，但目前最新研究首次获得真核细胞染色体，一种较高等级微生物，其细胞不同于细菌，包含着细胞核。
不同于基因工程学，这项研究涉及到从一个有机体转换基因至另一个，合成生物学涉及到设计，之后从零开始构造新的基因物质。美国合成生物学先驱杰夫-博伊科(Jef Boeke)博士说：“我们的研究在合成生物学领域将理论变为现实！”
这项研究代表着国际协作构建合成酵母完整基因的一个重大进步，研究报告发表在《科学》杂志上，研究小组描述被称为“synIII”的染色体如何构建和成功结合到啤酒酵母中。
当遗传学家Ronald Davis十年前建议他的同事尝试构建一个人工酵母染色体，并将其整合进活细胞中的时候，Jef Boeke其实并没有特别在意，然而时隔多年，Boeke终于完成了这一构想，合成了第一个酵母功能性染色体，这是合成生物学领域的一项里程碑式成果。 研究人员在3月27日Science杂志上公布了这一研究成果，参与研究的包括来自中国，澳大利亚，新加坡，英国和美国等处的科学家，其中深圳华大基因，天津大学，清华大学负责了部分染色体合成。
2010年，引起诸多争议的美国生物学家Craig Venter宣布合成了第一个由一个合成的基因组所控制的细胞，这代表着世界上首个人造生命细胞的诞生，是人类科学历史上的一个突破性成果。 不过这项成果是在细菌中实现的，组装真核生物基因组在此之前仍然是一个未完成的工作。最新研究建立了一个全功能的染色体，研究人员将其命名为synIII ，并成功地将这一染色体整合进啤酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）。
之所以选择酵母这种生物，是因为它是地球上被研究得最透彻的生物之一，酵母有16条染色体，共1200万个核苷酸。此次合成的是酵母中最小的一条染色体，包含调控酵母细胞配对和遗传交换的基因，而且酵母中有约三分之一的基因（共6000个基因）与人类相似。
在这项研究中，研究人员采用了一种新技术，从而实现了在不损失染色体活力和功能的基础上，操控酵母DNA大片段，这种技术就是所谓的置乱技术（Scrambling Technique），能帮助科学家像洗牌一样打乱基因。
研究人员说，利用这种技术，他们能更快的研发酵母合成菌株，用于制造罕见药物，如治疗疟疾的青蒿素，或生产某些疫苗，如乙肝肝炎。此外合成酵母还能用于生产更有效的生物燃料，如乙醇，丁醇和生物柴油。
详细研究过程 在进行置乱技术之前，研究人员首先需要评估synIII的健康情况，将其与天然酵母III进行比较，从单个细胞到细胞群，比较它们的生长情况与活力。在19个不同的环境条件下进行酵母繁殖，这些条件包括温度，酸度的变化，和加入过氧化氢（一种DNA损伤化学剂），找到一个增长率保持不变的条件。
之后研究人员在125次细胞分裂后，在其中30个不同克隆细胞群中检测synIII，其遗传结构在复制过程中要保持完整，Boeke博士说，一百万次细胞分裂中出现一次染色体丢失时正常的，synIII的染色体丢失率只比天然的酵母III高出一点。
最后研究人员成功地将一个带有synIII的非配对细胞转换成一个能配对的细胞（剔除了阻止配对的基因），这验证了置乱技术。
研究人员发现某些细胞的生长会更为缓慢，而其它某些具有不同基因组合的细胞则会非常快速地生长。例如，通过以不同方式重组DNA，研究人员希望能够设计出可比天然酵母菌制造更多乙醇的或在困难的环境中生长得更好的酵母菌。这项工作确立了酵母菌这种选定的真核生物可作为设计合成真核生物基因组生物学的基础。
Boeke博士表示，下一个这一国际研究小组将尝试合成更大，更快和更便宜的酵母染色体，他的研究组正在着手组装超过10,000个碱基对的大片段，他们还计划进一步分析染色体被打乱的synIII作用机制。
（生物通：张迪）
