今日，顶尖学术期刊《细胞》带来了合成生物学领域备受关注的重大进展，以封面故事形式报道了国际合作项目“酿酒酵母基因组合成计划”（Sc2.0计划）的最新成果：一半天然、一半人工合成的酵母细胞问世！这种酵母细胞内含有7.5条人工合成的染色体，但其生存和复制能力与野生的酵母菌株相似，离人工再造生命体更近一步。
同时，科学家们还展示了完全从头开始为酵母细胞编写设计的一条新染色体：转运RNA（tRNA）新染色体，为接下来创造出世界上第一个完全人工合成的真核细胞迈出新的一步。论文通讯作者、Sc2.0计划的国际协调人、英国曼彻斯特大学的蔡毅之教授指出，在工程生物学方面，这是一个激动人心的里程碑，意味着人类可以从修补少数基因到从头设计和构建整个基因组。
酵母是最简单的单细胞真核生物，常出现在我们的日常生活中，可用于生产药品、香精、生物燃料，以及众所周知的面包发酵和啤酒酿造。
国际科学界发起的酿酒酵母基因组合成计划（Sc2.0计划），旨在完成设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组。根据目标，研究人员将从头开始合成酵母基因组，去除所有转座子和重复元件，重新编码终止密码子，并将转运RNA基因搬到全新的染色体上，同时还要避免引起适应性缺陷，并增加有助于染色体构建和操作的特征。最终合成的酵母菌株将成为人类运用和理解真核生物基因组能力的一个里程碑。
最常见的酿酒酵母有16条染色体，基因组总长度达到1200万个碱基对。2014年，由纽约大学Jef D. Boeke教授领衔的研究团队创建出了第一条人工酵母染色体（酵母染色体中最小的3号染色体）。
2017年，Sc2.0计划向前推进了一大步，酵母基因组中的三分之一完成了设计合成。《科学》杂志以特刊形式进行了报道。
▲2017年《科学》封面展示的酵母基因组结构模型，其中金色代表已经完成全合成的染色体；白色代表天然染色体（图片来源：《科学》官网；Credit: Valerie Altounian/Science）
其中，天津大学元英进教授（2019年第十三届药明康德生命化学研究奖杰出成就奖得主）领导的团队同时发表两篇论文，成功实现了酵母5号和10号染色体的化学合成。
同时，当时任职于清华大学的戴俊彪研究员带领团队设计合成了12号染色体，并开发了长染色体分级组装的策略。中国科学院院士杨焕明院士与当时任职于爱丁堡大学的蔡毅之博士合作领导的项目完成了2号染色体的从头设计与全合成。Jef D. Boeke教授与同事们则完成了6号染色体的合成。
时隔六年，目前科学家已将酿酒酵母的16条染色体全部合成成功，并分别创造出了16种部分合成的酵母菌株，即每种细胞内包含15条天然染色体和1条合成染色体。而接下来的挑战则是将它们组合起来，形成一个完全合成的新细胞。
Jef D. Boeke教授领导的团队在此次新发表的《细胞》论文中展示了他们的方法。
▲研究示意图（图片来源：参考资料[1]）
一开始有点儿类似遗传学家孟德尔做的豌豆杂交实验，也就是将含有不同合成染色体的酵母细胞进行杂交，然后在后代中寻找携带两条合成染色体的个体。经过漫长的杂交过程，研究小组逐渐将他们先前合成的所有染色体（6条完整染色体和1条染色体臂）整合到同一个细胞中，由此产生的酵母菌株合成DNA占比超过31%，形态正常，与野生酵母相比，只表现出轻微的生长缺陷。
▲扫描电镜下，拥有6.5条合成染色体的酵母细胞，表现出正常的外形和出芽行为（图片来源：参考资料[1]）
为了更有效地在酵母菌株之间转移特定染色体，研究人员开发了一种称为染色体置换的新方法。作为概念验证，他们利用染色体置换转移了一条新合成的染色体（所有合成染色体中最大的4号染色体），从而得到了一个拥有7.5条合成染色体的酵母细胞，其合成DNA所占比例超过50%。
在基因组尺度的DNA合成中面临的一个巨大挑战，是定位人工基因组中影响细胞长势的序列，即缺陷（bug）。当多条合成染色体被整合到同一个酵母细胞中，研究小组发现了在只携带一条合成染色体的细胞中看不到的遗传缺陷。
研究人员采用基于CRISPR/Cas9的方法排除缺陷（debugging），定位并修复了部分缺陷，使合成酵母的适应性增强。“在排除缺陷的过程中，我们学到了生命规则的新变化。”Boeke教授说。
根据Sc2.0的设计原则，为了提高基因组的稳定性，以天然染色体为蓝本的合成染色体都移除了原有的核tRNA基因，即编码转运RNA的基因。全部tRNA基因则被集中到一条新染色体——tRNA新染色体（tRNA Neochromosome），再添加到完全人工合成的酵母细胞里面。
▲从头合成tRNA新染色体的研究示意图（图片来源：参考资料[2]）
另一篇论文详细阐述了tRNA新染色体如何从头设计和构建。这条自然界不存在的染色体容纳了酵母的全部275个tRNA基因，完全是从头合成。研究团队借助了计算机辅助设计（CAD）编码基因组。
包括这两篇论文在内，《细胞》及其旗下的Molecular Cell、Cell Genomics等子刊上线了多篇研究论文，展示了Sc2.0计划的最新成果。
参考资料：
[1] Zhao et al.， Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions， Cell (2023)， https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.09.025
[2] Schindler et al.， Design， construction， and functional characterization of a tRNA neochromosome in yeast， Cell (2023)， https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.10.015
[3] Yeast with an over half synthetic genome is created in the lab. Retrieved Nov. 9， 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1006824
[4] Scientists one step closer to re-writing world’s first synthetic yeast genome， unravelling the fundamental building blocks of life. Retrieved Nov. 9， 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1007061
本文来自微信公众号：学术经纬 （ID：Global_Academia），作者：药明康德内容团队