世界第二,我科學家利用非生命化學物質設計再造出新生命體!

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日前,我國科學家在真核生物基因組設計與化學合成方面取得重大突破,由天津大學牽頭的“合成生物技術”國家863計劃重大項目目前已成功合成4條真核生物釀酒酵母染色體,相關研究成果已形成4篇我國學者為第一作者和通訊作者的《Science》論文並於3月10日正式對外界釋出。

該成果的取得實現了由非生命的化學物質通過設計合成的方法再造出新的生命體,標誌著我國已經成為繼美國之後第二個具備真核基因組設計與構建能力的國家。

2012年,依託於國家863計劃“合成生物技術”重大項目,天津大學、清華大學和華大基因與美國共同發起並推動了真核生物酵母人工基因組合成(Sc2.0)國際合作計劃,該計劃是合成基因組學(Synthetic genomics)研究的標誌性國際合作項目,旨在重新設計併合成釀酒酵母的全部16條染色體(長約12Mb,Mb:百萬鹼基對)。該項目由美國科學院院士傑夫·伯克發起,有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構參與並分工協作,致力於設計和化學再造完整的釀酒酵母基因組。

至今,科學家們已經化學合成了6條染色體,來自天津大學、清華大學、華大基因的中國科學家完成了其中的4條,佔完成數量的66.7%。其中,元英進帶領的天津大學團隊完成了5號、10號(synV、synX)染色體的化學合成,並開發了高效的染色體缺陷靶點定位技術和染色體點突變修復技術。戴俊彪研究員帶領清華大學團隊完成了當前已合成染色體中最長的12號染色體(synXII)的全合成。深圳華大基因研究院團隊聯合英國愛丁堡大學團隊完成了2號染色體(synII)的合成及深度基因型-表型關聯分析。

該計劃的國際化推動者及中國最早的參與者,天津大學化工學院教授元英進此次在《科學》期刊上以唯一通訊作者身份發表了兩篇有關釀酒酵母染色體化學合成的學術論文。據他介紹,基因組設計與化學合成打破了非生命物質與生命的界限,開啟了“設計生命、再造生命和重塑生命”的程式。此次釀酒酵母染色體化學合成突破了合成型基因組導致細胞失活的難題,設計構建了染色體成環疾病模型,開發了長染色體分級組裝策略,證明人工設計合成的基因組具有可增加、可刪減的靈活性……

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目前國際上普遍認為,以基因組設計合成為標誌的合成生物學是繼“DNA雙螺旋發現”和“人類基因組測序計劃”之後,即將引發的第三次生物技術革命,可望在人類健康、環境、能源、農業等領域產生革命性發展。中國合成生物基因組的專家們認為,基因組設計合成研究具有重要意義,主要體現為:

首先,基因組設計合成研究將顛覆生命科學研究正規化,極大提高人類對生命本質的認識水平以及對生命過程的掌控能力。

基因組設計合成研究因其潛在的顛覆性影響,被國際學術界廣泛關注。國際頂級雜誌《Nature》在2016年底的展望中,將基因組合成計劃的發起人之一Jef Boeke院士作為2017年最有影響力的10位全球科學家之一。基因組設計合成提供了一種“從創造到理解”的研究思路和方法,採用理性設計和“自下而上”的策略,有目的地設計併合成設定基因組,深化和拓展現有生命科學知識。基因組設計構建合成的研究思想和方法不僅顛覆了當前生命科學的研究模式,也將極大提升了人類對生命工作原理的理解,加深了人類對生命本質的認識。尤其是通過基因組合成研究檢驗我們當前對基因組的所有認識,將進一步加強我們對生命過程的調節和控製能力,提升人類改造生命甚至創造生命的能力。

其次,基因組設計合成將顯著提升人類醫療健康水平,打造萬億級產業態勢。

人類基因病的主要根源在於基因組的遺傳資訊的不當表達。基因組設計合成研究,將推動基因組調控生命機製的深入認識,通過基因組合成帶動並突破的一批關鍵核心技術。基因組合成研究將產生大量的基因序列與生理特性和功能行為關聯的寶貴資訊,並驅動規模化基因組合成和基因組編輯技術與方法的發展,為新型生物學治療方法、疫苗、材料、疾病控製和營養學等方面的基礎性研究提供強有力的支撐。可望構建超安全細胞、修復癌症細胞基因組、抵抗衰老等,實現對現有健康產業的顛覆,將快速形成以基因組合成帶動的新型生物產業,尤其是針對重大複雜疾病,有望形成萬億級醫療健康產業和千億級企業的新業態。

元英進表示,Sc2.0計劃國際化的高效運作模式給國際性大型旗艦項目提供了很好的參考模板。“可以說,Sc2.0計劃的實施是基因組編寫計劃(GP-write)的重要基礎。”同時元英進認為,在這個過程中,我國培養了大批具有國際視野的拔尖創新青年人才,中國的基因組設計合成能力也提升到了前所未有的高度。此次國際合作取得的巨大成功將鼓勵更多的中國學者更積極地參與到大型國際合作項目中去。

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