研究前沿 | 再次涉足“神灵禁区”——国际酵母基因组合成计划（Sc2.0）实现“人工创造生命”的重要突破，合成酵母全部16条染色体

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关键词：#酵母基因组合成计划| #“人工创造生命”| #“神灵禁区” | #Sc2.0 Project

文章导读

“人工创造生命”——合成生物学（SyntheticBiology）是指利用人工合成的生物分子或非生物材料，构建出具有生命特征的实体，如细胞、组织、器官或生物体。这是一个涉及生物学、化学、物理学、计算机科学等多个学科的前沿领域，旨在探索生命的本质、起源和演化，以及创造新的生命形式和功能。合成生物学（SyntheticBiology）是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后，以基因组设计合成为标志的第三次生物技术革命。

截至目前，全球科学家在合成基因组、细胞和生物体等方面均有重要突破，如：2008年，首次合成了一条人工细菌基因组；2010年，创造了完全人工合成的基因组驱动细菌；2014年，合成了一种具有自我复制能力的人工细胞；2019年，首次合成了一种具有自我分裂能力的人工细胞；2017年，合成了一种具有心跳能力的人工心脏组织；2018年，日本科学家首次合成了一种具有运动能力的人工肌肉。

2023年11月，国际科学家团队在“人工创造生命”领域再次取得重要突破，酵母基因组合成计划（Sc2.0 Project）项目首次合成了酵母的全部16条染色体。

酵母基因组合成计划（Sc2.0 Project）

酵母基因组合成计划（Sc2.0 Project）是一个国际合作项目，旨在重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体（长约12Mb）。这是人类首次尝试对真核生物的基因组进行从头设计合成。该项目于2011年启动，由来自中国、美国、英国、新加坡、澳大利亚等国的超200位科学家参与。

标志性事件时间节点梳理

该项目的发展过程如下：

2011年，美国、中国、英国、新加坡、澳大利亚等国的超200位科学家联合启动了“酵母基因组合成计划（Sc2.0 Project）”。

2014年，纽约大学的Jef 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），首条人工酵母染色体synIII的合成，开启了真核生物基因组合成的先河。

2017年3月， Sc2.0团队完成了人工合成酵母基因组16条染色体中的5条，包括synII、synV、synVI、synX、synXII五条染色体，其中4条基因合成任务由中国科学家完成，相关成果发表在Science期刊特设的酵母合成专刊。中国也成为全球第二个掌握真核生物基因组设计构建能力的国家，基因组设计合成领域国内研究热度也再创新高。

2023年11月，Sc2.0计划迎来新的里程碑式突破，团队已合成酵母的全部16条染色体，包括一个全新合成的tRNA染色体，并构建了一种包含50%合成DNA的酵母菌株，其表现出活跃的增殖和正常的细胞形态、长度和形状，并开发了基于CRISPR的精准缺陷扫描定位和修复方法。相关成果分别发表在Cell（2篇）、Cell Genomics（7篇）和Molecular Cell（1篇），共 10 篇文章。

图1、研究选为Cell Genomics封面文章    来源：https://www.cell.com/Cell-Genomics/home

表1、项目发展重要时间节点

Sc2.0计划的技术路线

设计：利用计算机软件和算法，对酵母基因组进行重新设计，移除非必需的DNA序列，添加新的功能元件，优化基因组结构和表达。

合成：利用化学合成或生物合成的方法，将设计好的DNA序列分段合成为数千个碱基对的片段，然后通过分级组装的策略，将这些片段逐步拼接成完整的染色体。

整合：利用酵母的同源重组或转座子介导的染色体替换等技术，将合成的染色体整合到酵母细胞中，替换掉原有的天然染色体。

验证：利用PCR、测序、FISH、Hi-C等技术，对合成的染色体进行结构和功能的验证，检测其与设计的一致性，以及对细胞表型的影响。

改造：利用SCRaMbLE系统，对合成的染色体进行随机重组，产生大量的基因组变异，筛选出具有新特性或新功能的酵母菌株。

相关研究团队

美国纽约大学合成生物学家、Sc2.0计划领导者Jef Boeke博士，负责项目协调和管理。

英国曼彻斯特大学合成生物学家、Sc2.0计划的国际协调人蔡毅之教授，负责项目协调和管理。

中国天津大学生命科学学院元英进教授，负责酵母5号和10号染色体的化学合成，成果发表在《Science》期刊。

中国清华大学生命科学学院戴俊彪研究员，负责酵母12号染色体的设计合成，以及长染色体分级组装的策略。

中国科学院院士杨焕明院士，负责酵母2号染色体的从头设计与全合成。

中国华大基因研究院合成生物学首席科学家沈玥研究员，负责酵母7号和13号染色体的从头设计与全合成，以及tRNA新染色体的构建。

相关研究成果

图2、文章封面    来源：Cell期刊

图3、文章插图，文章概述：研究团队利用内源性复制杂交技术将6.5条合成染色体整合到酵母菌株，构建了包含超过50%合成DNA的酵母。同时开发了一种基于CRISPR的精准缺陷扫描定位和修复方法CRISPR D-BUGS，以绘制由特定设计修饰引起的表型变异，并发现了合成染色体之间的组合遗传相互作用。采用Hi-C和长读长RNA测序评估了合成染色体对3D染色体结构和转录本亚型谱的影响，发现设计修饰对基因表达和染色体组织的影响较小。最后，基于染色体替换方法将最大的合成染色体（synIV）转移成功，展示了一种加快合成染色体整合的新策略。    来源：Cell期刊

图4、文章封面    来源：Cell期刊

图5、文章插图，文章概述：研究团队展示了一种完全由人工合成的tRNA新染色体，其可作为酵母天然染色体的补充。这条大小190kb的tRNA新染色体包含了275个迁移的核tRNA基因，并结合了非酿酒酵母的正交遗传元素以提高稳定性。同时，通过多种方法分析了tRNA新染色体的行为和功能。例如，tRNA测序、转录组学、蛋白质组学、核小体定位、复制谱、FISH和Hi-C等。研究结果表明，tRNA新染色体具有自发加倍的细胞倍性，以及正交tRNA SCRaMbLE系统，可以产生多样的tRNA组合。这也证明了酵母模型的可追溯性，为直接揭示相关基本非编码RNA的假设提供了机会，也为合成生物学和基因组工程提供了一个新的平台，可以用于探索tRNA的进化、功能和调控。    来源：Cell期刊

图6、文章封面    来源：Molecular Cell期刊

图7、文章插图，文章概述：研究团队展示了迄今为止最大的人工合成真核生物染色体synIV，长达1,454,621 bp。团队基于分级整合策略的巨型组装方法，显著提高了合成染色体构建的准确性和灵活性，同时操纵synIV的三维结构来探索空间基因调控。研究发现基因表达变化很少，这表明酵母核质内的定位在基因调控中起次要作用。最后，研究团队采用数百个loxPsym位点将synIV连接到内核膜，并观察到整个染色体的转录抑制，在不改变DNA序列的情况下展示了染色体范围的转录情况。    来源：Molecular Cell期刊

合成生物学展望

Sc2.0计划创造了合成基因组学研究的标志性成果，开启了工程生物学的一个新时代。通过对酵母基因组的重新设计和合成，研究人员可以探索基因组的结构、功能和演化，以及基因组与细胞表型的关系。项目为生产具有新功能和特性的酵母提供了可能，为生物技术和生物医药等领域带来潜在的应用和创新。未来合成规模和复杂度将不断提高，从单细胞生物向多细胞生物，从微生物向高等生物，从原核生物向真核生物，从低等动物向高等动物，甚至向人类靠拢。合成多样性和创新性将不断增加，从模仿自然生命向创造非自然生命，从使用天然生物分子向使用非天然生物分子，从遵循自然生物规律向打破自然生物规律，从满足基本生命需求向实现高级生命功能。合成应用和价值将不断拓展，从基础研究向应用研究，从实验室向工业化，从理论探索向实际解决，从科学认知向社会服务，从生物技术向生物医药，从生物制造向生物能源等领域。

参考文献

1、Cell, Zhao et al., “Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions” https://cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01079-6 DOI: 10.1016/j.cell.2023.09.025

2、Cell, Schindler et al., “Design, Construction, and Functional Characterization of a tRNA Neochromosome in Yeast” https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01130-3 DOI: 10.1016/j.cell.2023.10.015

3、Cell Genomics, Shen et al., “Dissecting aneuploidy phenotypes by constructing Sc2.0 chromosome VII and SCRaMbLEing synthetic disomic yeast” https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00147-7 DOI: 10.1016/j.xgen.2023.100364

4、Cell Genomics, McCulloch et al., “Consequences of a telomerase-related fitness defect and chromosome substitution technology in yeast synIX strains” https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00245-8 DOI: 10.1016/j.xgen.2023.100419

5、"中国科学家在真核生物基因组设计与合成中获重大突破". https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/19886.htm

6、“Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions”. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01079-6

7、"Establishing chromosomal design-build-test-learn through a synthetic chromosome and its combinatorial reconfiguration". https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00270-7

8、"Manipulating the 3D organization of the largest synthetic yeast chromosome". https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(23)00852-3

9、"Synthetic chromosome fusion: Effects on mitotic and meiotic genome structure and function". https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00274-4

10、"Parallel laboratory evolution and rational debugging reveal genomic plasticity to S. cerevisiae synthetic chromosome XIV defects". https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00176-3

11、"Context-dependent neocentromere activity in synthetic yeast chromosome VIII". https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00272-0

12、"Parallel laboratory evolution and rational debugging reveal genomic plasticity to S. cerevisiae synthetic chromosome XIV defects". https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00176-3

13、"Synthetic yeast chromosome XI design provides a testbed for the study of extrachromosomal circular DNA dynamics". https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00244-6

14、"Parallel laboratory evolution and rational debugging reveal genomic plasticity to S. cerevisiae synthetic chromosome XIV defects". https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(23)00176-3

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更新日期：2023-11-14