基因組與細(xì)胞工程

“人造生命”的合成是合成生物學(xué)發(fā)展史上的里程碑式事件，也為合成生物學(xué)的大規(guī)模發(fā)展奠定了最基本的使能技術(shù)基礎(chǔ)。前者的代表性案例可追溯至?20?世紀(jì)?60?年代中國(guó)完成具有生理活性的牛胰島素的全人工合成，而后者則可經(jīng)典地追溯至?DNA?重組技術(shù)（包括原核與真核的基因克隆技術(shù)）的成功引發(fā)著名波蘭遺傳學(xué)家?Waclaw Szybalski?于?1974—1978?年數(shù)次提出的“合成生物學(xué)”愿景。20?世紀(jì)?90?年代以來(lái)，基因組測(cè)序注釋技術(shù)的突破，原則上實(shí)現(xiàn)了“讀”基因組的可能性，自然也衍生出“設(shè)計(jì)”的可能性；各類(lèi)定向性的?DNA?突變、擴(kuò)增及克隆技術(shù)（乃至近年來(lái)的編輯技術(shù)）原則上實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因組“編”即改造或重編程的可能性；而?DNA?的大規(guī)模合成與組裝及構(gòu)建能力的提高，則在原則上實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因組“寫(xiě)”即合成的可能性。于是，以合成基因組及對(duì)基因組編輯為目標(biāo)的基因組工程以及與此相關(guān)聯(lián)的細(xì)胞工程自然成為過(guò)去?20?年中，合成生物學(xué)最為緊迫也最為受挑戰(zhàn)的任務(wù)之一。

早在?2002?年，研究人員就用化學(xué)方法合成了與脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組?RNA?互補(bǔ)的?cDNA，使其在體外?RNA?聚合酶的作用下轉(zhuǎn)錄成病毒的?RNA，最終重新裝配成具有侵染能力的病毒；此后又通過(guò)寡核苷酸的合成與逐步組裝，得到一個(gè)全化學(xué)合成的?φX174?噬菌體基因組后，實(shí)現(xiàn)了支原體之間基因組?DNA?轉(zhuǎn)移和支原體基因組人工合成技術(shù)的突破。2010?年，Gibson?等設(shè)計(jì)、合成和組裝了?1.08?Mb?的蕈狀支原體基因組，并把它移植到山羊支原體受體細(xì)胞中，創(chuàng)造了世界上第一個(gè)僅由人工化學(xué)合成染色體控制的、具自我復(fù)制能力的“新細(xì)胞——Synthia”。同年，Gibson?等通過(guò)與酶和化學(xué)試劑的混合物相結(jié)合，首次化學(xué)合成了小鼠線(xiàn)粒體基因組。此后，研究人員又使用基因組合成方法化學(xué)合成了2條釀酒酵母染色體臂，這是世界上首次成功合成真核生物的部分基因組。從?2011?年開(kāi)始，來(lái)自世界多個(gè)國(guó)家的研究人員開(kāi)始實(shí)施第一個(gè)真核生物基因組合成計(jì)劃——合成酵母基因組計(jì)劃（Sc2.0），并在?2014?年成功合成酵母染色體?synIII，盡管合成的僅僅是釀酒酵母?16?條染色體中最小的一條，但這是通往構(gòu)建一個(gè)完整的真核細(xì)胞生物基因組的關(guān)鍵一步，特別是建立了利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)染色體序列的技術(shù)。2017?年?3?月，參與?Sc2.0?研究的各國(guó)科學(xué)家完成了?2、5、6、10?和?12?號(hào)染色體的合成與組裝，在真核生物基因組設(shè)計(jì)與化學(xué)合成方面取得重大突破。2018?年，我國(guó)科研人員充分利用?CRISPR-Cas?等基因編輯使能技術(shù)及合成生物學(xué)的“設(shè)計(jì)—合成—檢測(cè)”的工程學(xué)理念，成功實(shí)現(xiàn)了單染色體啤酒酵母細(xì)胞的人工創(chuàng)建，是合成生物學(xué)基因組工程與細(xì)胞工程方面的里程碑式突破；它不僅為人類(lèi)對(duì)生命本質(zhì)的研究（即“真核生物能不能以一條染色體編碼基因組”的科學(xué)問(wèn)題）開(kāi)辟了新方向，也為研究人類(lèi)端粒功能及細(xì)胞衰老提供了很好的模型。

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