天津大學最新文章：酵母基因組工程

　　生物通報道：釀酒酵母染色體的人工合成突破了真核生物基因組重新設計與合成, 將引發基因組工程研究新的高潮. 近期來自天津大學系統生物工程教育部重點實驗室，深圳華大基因研究院等處的研究人員以酵母基因組工程為例, 對“自上而下”和“自下而上”兩種不同策略的基因組工程研究取得的最新進展進行綜述, 并展望其發展前景和趨勢.

　　DNA 雙螺旋結構和“中心法則”的發現與闡明使人類開始在核酸分子水平上認識生命現象； 基因測序技術的發展和“人類基因組計劃”的完成標志著高通量“讀”基因組生命信息的實現； 合成生物學發展推動的通過人工設計合成來“寫”基因組信息標志著“人造生命”的開始.

　　人工DNA合成技術和DNA大片段操作技術推動了基因組人工合成研究的進步. 丙型肝炎病毒、脊髓灰質炎病毒、?X174噬菌體、T7噬菌體、水稻(Oryza sativa)葉綠體和小鼠(Mus musculus)線粒體等基因組序列先后實現了人工改造與合成, 尤其是活性人工基因組設計與合成的成功使人工基因組合成工作受到了世界的極大關注, 即支原體基因組和釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)染色體的合成.

　　2008年, Venter 研究組實現了生殖支原體(Mycoplama genitalium)基因組的全化學人工合成, 并于2010 年將人工合成的蕈狀支原體(Mycoplasma mycoides)基因組轉入移除自身染色體的山羊(Capra aegagrus hircus)支原體(Mycoplasma capriolum)細胞中, 得到了能夠發揮正常功能的全新的支原體細胞.

　　2011年, Boeke研究組分別對釀酒酵母Ⅵ號染色體左臂和Ⅸ號染色體右臂進行了人工設計, 并于2014年成功合成了具有生物學活性的完整Ⅲ號人工染色體, 標志著基因組人工合成工作進入真核生物領域. 釀酒酵母作為單細胞真核生物, 是生物學研究和生物技術開發的模式生物, 因此本文將以酵母為例綜述基因組工程領域取得的最新進展.

　　作者介紹道，“自上而下”基因組工程是指從野生基因組出發, 通過刪除、替換等方法實現對基因組的工程化改造, 主要研究包括基因組簡化和基因組編輯技術. “自下而上”的策略則是通過理性設計, 采用從頭合成路線, 利用標準化元件逐步組裝構建遺傳線路、功能基因模塊以至合成基因組.

　　釀酒酵母人工染色體合成工作目前正在全球范圍內有序展開, 隨著基因合成和測序成本的降低、大片段DNA組裝技術的發展和染色體合成經驗的積累, 釀酒酵母染色體合成工作的進展必將逐步加快, 攜帶全部16條合成型染色體酵母菌株的問世指日可待. 同時, 隨著基因組工程技術的成熟和完善, 有可能在現有人工酵母基因組的基礎上進一步進行更深層次的人工再設計與全合成. 同時, 模式生物人工基因組的設計合成必將推動人造生命研究的快速發展, 為人類研究生命的起源、進化演化等問題提供全新的解決策略.

　　酵母基因組工程在“轉基因”、“基因組簡化”、“基因組編輯”等對原有基因組進行改造, 到人工設計合成全新的染色體的發展過程中, 不僅開發了多種基因組工程技術, 而且拓寬了酵母工程菌的應用范圍. 集合了美國、中國、英國、澳大利亞、新加坡等國科研力量的釀酒酵母人工染色體合成項目, 在重新設計合成酵母16 條染色體的同時, 添加了可人為操作的SCRaMbLE系統, 可以實現酵母快速進化.

　　科學理論上, 人工設計與合成酵母基因組及其后續開展基因組快速進化研究, 不僅可實現對酵母全基因組功能研究, 如獲取未知基因的功能, 而且通過基因組隨機變化產生的酵母菌庫, 為研究酵母進化史提供了大量的素材. 技術層面上, 人工設計與合成酵母基因組大幅度帶動DNA合成技術發展, 促進DNA合成成本的降低. 鑒于酵母是真核模式生物, 其基因組合成累積的理論和技術, 在一定程度上可以應用于復雜多細胞生物基因組的合成, 這為人類探索合成低等動物基因組起到了極大的支撐作用.

　　工程應用上, 通過環境壓力馴化篩選的人工酵母菌, 可以多角度應用于與人類生存、生活息息相關的領域. 如獲得耐高溫菌、對產物耐受性高或者對不同pH的生存環境有較強適應性的酵母菌等, 對生物制藥、污染治理、能源及化學品生物制造產業均有工程應用價值.