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中国版“人造生命”诞生! 这项技术能合成“人”吗?
2018-08-15 08:40:52

  覃重军在讲述关于人造单条染色体真核细胞的研究内容,电脑屏幕上显示的是人造单条染色体酵母与天然酵母细胞的对比图。

  8月2日,国际顶级学术期刊《自然》杂志颇为罕见地同时刊发了同一“选题”的两篇科研成果:一篇出自人工合成领域“老将”、美国科学院院士、纽约大学医学院教授杰夫·博克团队;一篇来自中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室覃重军研究团队及其合作者。

  两个成果提及的实验和分析各有千秋,前者只做到“16合2”,而后者做出了“16合1”。这次,中国领跑了。

  大胆猜想

  有没有含单条染色体的真核生物呢?

  生物学教科书中,将自然界存在的生命体,分为真核生物和原核生物。

  所有的真核生物细胞,含有的染色体有多条,而且都是线型结构,比如人类、小鼠、酿酒酵母等都是真核生物。而原核生物细胞含有的染色体,通常只有一条,而且是环型结构,比如大肠杆菌、破伤风菌等许多细菌。

  不过,携带了生命体生长与繁殖遗传信息的染色体,其数量因物种而异:人类拥有23对染色体,近亲猿类有24对,小鼠有20对,果蝇有4对……

  真核生物能否像原核生物一样,只用一条染色体,来装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能呢?这一大胆设想在覃重军脑中盘旋,最终被付诸实践。

  为何选择酿酒酵母

  其基因约有三分之一与人类同源

  在这之前,自然界从没有发现过一条染色体的真核生物。覃重军研究组做出小心求证,随机地把酿酒酵母16条染色体中任意2条进行了融合,如此操作了8次,得到了一个惊人的发现——菌株的生长速率几乎不变。这意味着,原先的大胆猜想是有可能实现的。

  为什么选择酿酒酵母?酿酒酵母是日常发酵中最常用的生物种类,不仅用于制作面包、啤酒等,还是用于生命科学研究的代表性真核生物。作为1996年第一个完成基因组测序的真核生物,酿酒酵母有16条染色体,其基因约有三分之一与人类同源。

  另一方面,相比其他动植物,酿酒酵母遗传背景更清晰,操作更方便。

  基因“魔剪”

  剪掉冗余重复基因信息

  一条完整的真核线型染色体,通常包含一个用于染色体分离的着丝粒和两个用于保护染色体末端的端粒。为实现两条染色体的融合,不仅需要将两条染色体的两个端粒去除后相互连接起来,同时还需要将两条染色体中一条的着丝粒去除,从而保证染色体在细胞分裂过程中正常的分离。

  16条染色体变15条、变14条、再变13条……4年努力攻关,15轮染色体融合,覃重军团队最终成功创建了只有一条线型染色体的酿酒酵母真核细胞——酿酒酵母菌株SY14。这也是国际首例人造单染色体真核细胞。

  换句话讲,其染色体结构尽管发生了巨变,细胞生长却跟原来一模一样,功能也几乎都是一样的。从基础研究的角度来说,这是人工造出了一个简约化的生命体。“这一结果颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念,也由此揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。”

  解读 这一技术能合成“人”吗?

  这项合成生物领域的最新成果发布后,一个说法备受瞩目,即“自然生命的界限可以被人为打破,甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命”。这是否挑战了人类对自然的传统认知?人工改造的“简约版生命”依旧可以存活的背后,有无伦理问题?

  这要从最基本的问题说起:究竟什么是合成生物学?

  在科幻电影《侏罗纪公园》中,科学家利用天然琥珀中保留的恐龙血液,提取修复DNA分子结构等技术,培育出已经灭绝的恐龙。这种看起来颇为超前的生命科学理念,就是合成生物学的“电影版本”。

  覃重军说,合成生物学希望效仿物理学,通过人工构建“理想化、简约化的体系”发现规律,然后运用规律,让人类能够像组装机械那样组配新生物、模仿造物者的超能力。

  曾经有一种说法,当大家感慨于因发现青蒿素而获得诺贝尔奖的屠呦呦时,却忽略了另一个幕后英雄——合成生物学。正是它改造酵母生产青蒿素,实现了青蒿素的大规模制备。事实上,自2002年人类历史上第一个人工合成病毒——脊髓灰质炎病毒在美国纽约州立大学诞生以来,合成生物学已经成为全球研发的热点领域和各国抢占的科技高地。

  这次成果不可小觑。这次的实验对象——酿酒酵母,是单细胞真核生物,而包括人类在内的高等动物是多细胞真核生物,如今既然已经合成了单细胞真核生物,未来是否也能合成多细胞真核生物?

  覃重军说,操作起来虽有难度,但并非不可能。接下来他所在的研究团队也会进行多细胞生物实验。不过,可以明确的是,不会做“人”的实验。

  中科院院士赵国屏说,这次实验可以帮助人们“用最简生命来理解复杂生命”,这不是对生命本质的挑战,而是为人类对生命本质的研究开辟了新方向,是真正的“敬畏生命”。

  而且,这项研究对于提升疾病防治水平具有重要意义。覃重军说,人类的衰老、基因突变、肿瘤形成等都与染色体末端的保护结构——“端粒”的缩短密不可分,当端粒变得不能再短时,细胞就会死亡。

  如今的成果就好像打开一个窗口。覃重军说,酿酒酵母有1/3的基因与人类基因同源,但天然酵母具有32个端粒,研究起来困难重重,人造的“单染色体”酵母则只有2个端粒,能够为研究人类端粒功能及细胞衰老提供一个很好的模型。

  从体细胞克隆到干细胞,从合成生物医学到新一代基因治疗,即便技术是可控的,风险是可以防范的,新兴生物技术及其应用往往会引发伦理和安全问题的讨论。我国政府和科技界也非常关注合成生物学的伦理与生物安全问题,开展了各种类型和不同层次的讨论和研究。 宗 合

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