日前，中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所合成生物學重點實驗室覃重軍研究團隊與合作者歷經4年努力攻關，在國際上首次人工創建了單條染色體的真核細胞，是合成生物學具有里程碑意義的重大突破。
該成果於北京時間8月2日在線發表於國際知名學術期刊《自然》。
大膽猜想，能否用1條線型染色體裝載所有遺傳物質
人類能否創造生命?2010年，美國科學家克萊特·文特爾及其科研團隊在《科學》雜誌報道了世界上首個“人造生命”——含有全人工化學合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體，引起轟動。
此次，以覃重軍研究組爲主的研究團隊完成了將單細胞真核生物——釀酒酵母天然的16條染色體人工創建爲具有完整功能的單條染色體。該項工作表明，天然複雜的生命體系可以通過人工干預變簡約，自然生命的界限可以被人爲打破，甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命。
在自然界漫長的進化過程中，不同生命體逐漸形成了自身特有的基因組，包括相對較爲穩定的DNA序列和固定的染色體數目。染色體攜帶了生命體生長與繁殖的遺傳信息。生物教科書中將自然界存在的生命體分爲原核生物和真核生物。染色體裸露無核膜包裹的原核生物通常含有環型結構的1條染色體，而染色體細胞核被核膜包裹的真核生物中通常含有線型結構的多條染色體。
“真核生物的基因組分散在多條染色體，染色體數量因物種而異。譬如，人類擁有23對染色體，小鼠擁有20對染色體，而果蠅只有4對染色體。這些差異是怎樣造成的?染色體數目是否與生物的功能性相關?相對於單個染色體，多條染色體具有什麼優勢?”覃重軍說，“我想，可不可以打破原核生物和真核生物之間的界限，然後人爲創造1個單染色體的生物並具有正常的功能?”
於是，覃重軍研究員大膽地假設真核生物也能像原核生物一樣，用1條線型染色體裝載所有遺傳物質並完成正常的細胞功能。
藉助基因編輯技術，15輪融合創建出單染色體酵母菌株
在大膽猜想之後，覃重軍開始帶領團隊着手進行一系列實驗。他們決定採用釀酒酵母作爲實驗材料。
覃重軍說：“釀酒酵母是一種單細胞真核生物，有16條染色體，是典型的多染色體真核生物。而且它是分子生物學基礎研究的模式材料，全世界的科學家已經研究了半個世紀，非常經典。此外，和大部分真核生物相比，酵母研究背景更清晰且操作更簡單，可以使得我們的工作相對簡單。”
此外，已公開發表的成果顯示，截至2017年3月，釀酒酵母的16條染色體已人工合成了6條。
覃重軍說：“在這個基礎上，我更加堅定了上述設想，能不能再往前走一步，將整個釀酒酵母的染色體重排?”隨後，他與薛小莉副研究員“工程化精準設計”了定製人造單染色體酵母的指導原則以及理性分析、實驗設計、工程化推進的總體方案。2013年，酵母染色體的融合工作正式啓動。
那麼，怎麼去實現兩條染色體的融合呢?
覃重軍說：“1條完整的真核線型染色體，通常包含1個用於染色體分離的着絲粒和兩個用於保護染色體末端的端粒。要實現兩條染色體的融合，就需要將兩條染色體的兩個端粒去除後相互連接起來，同時還需要將兩條染色體中1條的着絲粒去除，從而保證染色體在細胞分裂過程中正常的分離。”
覃重軍介紹，這個過程中，有一點特別關鍵，就是在連接時必須同時刪除兩個端粒和1個着絲粒，否則就會不穩定，馬上發生斷裂。CRISPR—Cas9編輯技術幫助研究團隊很好地完成了這項操作。“它可以做到連接兩個染色體，並非常高效地重組，也就是說可以做到同時切同時補。”覃重軍說。
此外，染色體融合的順序是隨機的。研究團隊在做染色體融合之前，先進行了一系列驗證實驗。結果表明，8對染色體隨機融合都能成功，最終獲得的菌株和野生型酵母菌株一樣生長強健。
接下來，運用同樣的染色體融合操作方法，研究團隊進行了15輪染色體融合，最終成功創建了只有1條線型染色體的酵母SY14菌株。
人工改造的酵母細胞很穩健，沒有表現出重大的生長缺陷
在成功創建SY14菌株之後，覃重軍團隊進一步與合成生物學重點實驗室趙國屏研究組、中科院生物化學與細胞生物學研究所周金秋研究員研究組、武漢菲沙基因信息有限公司及軍事醫學科學院趙志虎研究員等團隊合作，深入鑑定了SY14的代謝、生理和繁殖功能及其染色體的三維結構。
結果表明，單染色體酵母表現出與野生型幾乎相同的轉錄組和表型譜，但通過減數分裂有性繁殖後代減少。另外，染色體融合後存在的最明顯的變化是染色體的三維結構。
“儘管融合顯著改變了三維染色體結構，但是除了刪除少數非必需基因外，新菌株所含的遺傳物質與正常釀酒酵母相同。”覃重軍說，“經證實，人工改造的酵母細胞出乎意料地穩健，在不同的培養條件下，沒有表現出重大的生長缺陷。然而，融合染色體菌株確實表現出小的適應性限制和有性生殖缺陷，因此它們可能會快速地被天然的菌株淘汰。這些新發現也將有助於解釋擁有較多染色體的優勢。”
中科院院士、中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所所長韓冰表示，將天然複雜的酵母染色體通過人工改造以全新的簡約化形式表現出來，是繼原核細菌“人造生命”之後的一個重大突破，爲人類對生命本質的研究開闢了新方向。
自然科研機構中國區總監保羅·埃文斯表示，這些酵母菌株也可成爲研究染色體生物學基本概念的強大資源，包括染色體的複製、重組和分離等，這些都是生物學領域長期以來十分重要的主題。
值得一提的是，釀酒酵母通常還是研究染色體異常的重要模型，其1/3基因和具有23對染色體的人類基因同源。覃重軍團隊創建的單條線型染色體酵母將來或爲衆多研究課題提供模型。同時，它還可以爲研究人類端粒功能及細胞衰老提供模型。
覃重軍說：“端粒是線型染色體末端的保護結構，人類的過早衰老與染色體的端粒長度直接相關。隨着細胞分裂次數的增加，端粒的長度逐漸縮短，當端粒變得不能再短時，細胞就會死亡。此外，端粒的縮短還與許多疾病相關，包括腫瘤形成等。”
