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基因設計里程碑事件:華大基因等人工合成染色體

中国证券网
2017-03-10 13:43

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3月10日出版的國際頂級學術期刊《科學》,以封面的形式同時刊發了中國科學家的4篇研究長文。4篇長文介紹了真核生物基因組設計與化學合成方面的系列重大突破:完成了4條真核生物釀酒酵母染色體的從頭設計與化學合成,此前國際同行奮鬥多年才發現了一條,這項研究或開啟“再造生命”新紀元。

據人民日報3月10日消息,在合成染色體的過程中,他們還突破了生物合成方面的多項關鍵核心技術,比如:突破合成型基因組導致細胞失活的難題,設計構建染色體成環疾病模型,開發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,等等。這些技術將幫助在全世界的生命科學研究和相關實際應用中大顯身手,其價值不可估量。

國內外同行指出,這是繼合成原核生物染色體之後的又一里程碑式突破,開啟人類“設計生命、再造生命和重塑生命”的新紀元。

曾參與“人類基因組測序計畫”的華大基因理事長楊煥明院士介紹說,合成生物學(Synthetic Biology)是繼“DNA雙螺旋發現”和“人類基因組測序計畫”之後,以基因組設計合成為標誌的第三次生物技術革命。

【專案具體發現】

元英進團隊成員、“10號染色體”文章第一作者、天津大學博士生吳毅介紹說:在合成長達770kb(kb:千堿基對)的釀酒酵母10號染色體的過程中,我們創建了基因組缺陷靶點快速定位與精確修復方法,解決了全化學合成基因組導致細胞失活的難題。我們所得到的全合成酵母染色體具備完整的生命活性,能夠成功調控酵母的生長,並具備各種環境回應能力。

“5號染色體”文章第一作者、天津大學博士生謝澤雄說,在全面推進Sc2.0計畫的過程中,我們建立了基於多靶點片段共轉化的基因組精確修復技術和DNA大片段重複修復技術,解決了超長人工DNA片段的精准合成難題。同時,我們首次實現了真核人工基因組化學合成序列與設計序列的完全匹配,系統性支撐與評價了當前真核生物的設計原則。該技術的突破為研究人工設計基因組的重新設計、功能驗證與技術改進奠定了基礎。

清華大學的戴俊彪團隊,則設計合成了12號染色體。在研究中,他們開發了長染色體分級組裝的策略,即:首先通過大片段合成序列,在6個菌株中分別完成了對染色體不同區域內源DNA的逐步替換;然後利用酵母減數分裂過程中同源重組的特性,將多個菌株中的合成序列進行合併,獲得完整的合成型染色體。針對12號染色體上存在的高度重複的核糖體RNA編碼基因簇進行刪除及工程化改造,並利用修改後的重複單元在基因組多個位點重建了核糖體RNA編碼基因簇。

深圳華大基因研究院與英國愛丁堡大學共同完成2號染色體的從頭設計與全合成(長770 Kb),合成酵母菌株展現出與野生型高度相似的生命活性。該論文的第一作者、深圳國家基因庫合成與編輯平臺負責人沈玥介紹說,科研人員使用“貫穿組學(Trans-Omics)”方法,從表型、基因組、轉錄組、蛋白質組和代謝組五個層次系統地進行基因型-表現型的深度關聯分析,證明了人工設計合成的釀酒酵母基因組可增加、可刪減的高度靈活性。”

令人欣喜的是,華大基因與愛丁堡大學合成的酵母菌株,不僅與野生型有高度相似的生命活性,而且對環境的適應性大大加強,其進化速度呈幾何級提高。

【項目意義】

這項研究發現可以說是中國在合成生物學領域取得的突破性成果,進一步奠定了我國在這一領域的國際地位。楊煥明表示,不難看出我們在生命科學研究領域的巨大進步。在釀酒酵母設計與合成研究中,我們已由“跟跑”轉為“並跑”,今後“領跑”也不是不可能。

我國科學家取得的上述成果,不僅對於深化生命認知、推進相關研究意義重大,而且也將在實際應用中大顯身手。此前,基因修飾的酵母已經用來製作疫苗、藥物和特定的化合物,這些新成果的發表意味著化學物質設計定制酵母生命體成為可能,產物範圍也將被拓展。隨著人工合成酵母的推廣應用,必將顯著提高其在工業生產、藥物製造等方面的效率與品質。

【相關公司】達安基因、國際醫學、安科生物

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