合成生物学：开启生命科学“会聚”研究新时代
|
|
基因组与细胞工程
“人造生命”的合成是合成生物学发展史上的里程碑式事件，也为合成生物学的大规模发展奠定了最基本的使能技术基础。前者的代表性案例可追溯至 20 世纪 60 年代中国完成具有生理活性的牛胰岛素的全人工合成，而后者则可经典地追溯至 DNA 重组技术（包括原核与真核的基因克隆技术）的成功引发著名波兰遗传学家 Waclaw Szybalski 于 1974—1978 年数次提出的“合成生物学”愿景。20 世纪 90 年代以来，基因组测序注释技术的突破，原则上实现了“读”基因组的可能性，自然也衍生出“设计”的可能性；各类定向性的 DNA 突变、扩增及克隆技术（乃至近年来的编辑技术）原则上实现了对基因组“编”即改造或重编程的可能性；而 DNA 的大规模合成与组装及构建能力的提高，则在原则上实现了对基因组“写”即合成的可能性。于是，以合成基因组及对基因组编辑为目标的基因组工程以及与此相关联的细胞工程自然成为过去 20 年中，合成生物学最为紧迫也最为受挑战的任务之一。
早在 2002 年，研究人员就用化学方法合成了与脊髓灰质炎病毒基因组 RNA 互补的 cDNA，使其在体外 RNA 聚合酶的作用下转录成病毒的 RNA，最终重新装配成具有侵染能力的病毒；此后又通过寡核苷酸的合成与逐步组装，得到一个全化学合成的 φX174 噬菌体基因组后，实现了支原体之间基因组 DNA 转移和支原体基因组人工合成技术的突破。2010 年，Gibson 等设计、合成和组装了 1.08 Mb 的蕈状支原体基因组，并把它移植到山羊支原体受体细胞中，创造了世界上第一个仅由人工化学合成染色体控制的、具自我复制能力的“新细胞——Synthia”。同年，Gibson 等通过与酶和化学试剂的混合物相结合，首次化学合成了小鼠线粒体基因组。此后，研究人员又使用基因组合成方法化学合成了2条酿酒酵母染色体臂，这是世界上首次成功合成真核生物的部分基因组。从 2011 年开始，来自世界多个国家的研究人员开始实施第一个真核生物基因组合成计划——合成酵母基因组计划（Sc2.0），并在 2014 年成功合成酵母染色体 synIII，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，特别是建立了利用计算机辅助设计染色体序列的技术。2017 年 3 月，参与 Sc2.0 研究的各国科学家完成了 2、5、6、10 和 12 号染色体的合成与组装，在真核生物基因组设计与化学合成方面取得重大突破。2018 年，我国科研人员充分利用 CRISPR-Cas 等基因编辑使能技术及合成生物学的“设计—合成—检测”的工程学理念，成功实现了单染色体啤酒酵母细胞的人工创建，是合成生物学基因组工程与细胞工程方面的里程碑式突破；它不仅为人类对生命本质的研究（即“真核生物能不能以一条染色体编码基因组”的科学问题）开辟了新方向，也为研究人类端粒功能及细胞衰老提供了很好的模型。