彻底改变生物学：半合成酵母基因组揭示了基因工程的新视野

合成 DNA 可能看起来像是科幻小说中的东西，但它正在迅速成为现实。 研究人员创造了一种含有超过50%人工基因组的酵母细胞，其中包括世界上第一个完全人工染色体。

科学家们此前已经制造出了人工细菌和病毒基因组，但下一步是真核生物，即整个基因组位于膜结合核内的细胞。 酵母可能是这种情况的自然选择，例如面包酵母（酒酵母）拥有紧凑的基因组，仅包含 16 条染色体，并且具有将 DNA 连接在一起的天生能力。

然而，参与合成酵母基因组 (Sc2.0) 项目的研究人员想要做一些与简单合成 DNA 略有不同的事情，即为酵母提供一个“设计”基因组。 “我们认为，生产出与自然设计密切相关的东西非常重要，”主要作者兼 Sc2.0 负责人杰夫·巴基 (Jeff Buckey) 在论文中说道。 陈述。 “我们的首要目标是构建一种可以教会我们新生物学的酵母。”

制作人工基因组

研究小组首先从基因组中去除所谓的“垃圾”DNA，并用新鲜的DNA片段替换它，以帮助他们区分合成基因和原始基因，然后重新洗牌基因顺序。 还有另一个重大的删除——tRNA 基因。

虽然它们编码的蛋白质在细胞内发挥着至关重要的作用，但 tRNA 基因也会使酵母基因组变得不稳定。 研究人员迈出了革命性的一步，将其移除并将其转移到基于 t-RNA 基因的全新“新染色体”上。 “新的 tRNA 染色体是世界上第一个完全人工染色体，”合著者 Patrick Yezi Cai 说。 “自然界中没有这样的事情。”

除了新染色体之外，研究人员还独立组装了每条染色体，然后创建了 16 个部分人工酵母菌株，每个菌株包含 15 条正常染色体和 1 条人工染色体。

将各个部分放在一起

接下来是最困难的部分：将所有人工染色体收集到一个酵母细胞中。 这涉及到经典遗传技术——杂交——和一些全新方法的结合。 杂交过程很慢，虽然产生的酵母含有超过 30% 的合成基因组，但研究人员仍在寻找更多。

在使用一种称为染色体替换的新方法和类似于CRISPR/Cas9的技术来修复遗传缺陷后，他们能够获得含有超过50%合成DNA的单个酵母细胞。 操纵其基因组可能会使酵母生长或看起来异常，但由于精心制造，酵母能够像野生酵母一样存活和繁殖。

凯说：“该团队现在重写了芽殖酵母的操作系统，开启了工程生物学的新时代——从修补少数基因转向从头设计和构建整个基因组。”

下一步

长期以来，酵母一直是食品和饮料生产的主要原料——这就是我们拥有像样的面包和啤酒的原因，每个人都说“谢谢你，酵母”——在科学领域，酵母也用于生产化学品和作为模式生物。 正如顶尖科学家之一本·布朗特 (Ben Blunt) 在他的文章中所解释的那样，使用合成 DNA，我们可以在这些领域取得许多进展。 陈述。

“人造染色体本身就是巨大的技术成就，但它们也将为我们如何研究和应用生物学开辟许多新的能力。这可能包括为更绿色的生物生产创造新的微生物菌株，到帮助我们了解和控制疾病”。

下一步是将所有 16 条人工染色体组合到一个酵母细胞中。 这并不容易，但研究人员很乐观。 “我们现在距离在一个细胞中拥有所有 16 条染色体的终点线还很遥远，”Bucky 说。

“我喜欢称其为开始的结束，而不是结束的开始，因为那时我们将真正能够开始混合该表面并生产出可以做我们以前从未见过的事情的酵母。”

该研究发表在期刊上 细胞。