近年来，我们操纵生物体基因的能力急剧增强。 现在，研究人员发现了一种含有超过 50% 合成 DNA 的酵母菌株，距离从头开始构建基因组又近了一步。
自 2006 年以来，一个名为“合成酵母基因组计划”的国际研究人员联盟一直在尝试重写啤酒酵母的整个基因组。 该生物体是一个有吸引力的目标，因为它是像我们一样的真核生物，并且它也广泛用于生物技术行业，以生产生物燃料、药品和其他高价值化学品。
虽然研究人员此前已经重写了病毒和细菌的基因组，但酵母更具挑战性，因为它的 DNA 分布在 16 条染色体上。 为了加快进展，参与的研究小组各自专注于重写不同的染色体，然后再尝试将它们组合起来。
该团队现已成功合成了所有 16 条染色体的新版本，并创造了一种全新的染色体。 在一系列论文中 手机 和 细胞基因组学，该团队还报告了在单个细胞中成功组合了七个这些合成染色体以及另一个片段的情况。 它们总共占细胞 DNA 的 50% 以上。
“我们的动机是通过构建合成基因组来了解基因组基础的首要原理，”来自曼彻斯特大学的合著者 Patrick Yizhi Cai 在一份报告中说道。 新闻稿。 “该团队现在已经重写了芽殖酵母的操作系统，这开启了工程生物学的新时代——从修补少数基因转向整个基因组的从头设计和构建。”
合成染色体与正常酵母的染色体显着不同。 研究人员去除了大量重复且不编码特定蛋白质的“垃圾DNA”。 特别是，他们切割了被称为转座子的 DNA 片段（转座子可以以不可预测的方式自然重组），以提高基因组的稳定性。
他们还将所有编码转移RNA的基因分离到全新的第17基因组中。 这些分子将氨基酸携带到核糖体，即细胞的蛋白质工厂。 蔡 告诉 科学 tRNA 分子是“DNA 损伤热点”。 该小组希望通过将它们分离出来并将它们安置在所谓的“tRNA 新染色体”中，可以更容易地控制它们。
“tRNA 新染色体是世界上第一个完全从头合成的染色体，”蔡说。 “自然界中不存在这样的事情。”
另一个重大改变可能会加速寻找有用的新酵母菌株的努力。 该团队将一个名为 SCRaMbLE 的系统整合到基因组中，使得在染色体内快速重新排列基因成为可能。 这种“诱导进化系统”允许细胞快速循环潜在有趣的新基因组。
“这有点像洗一副牌，”来自纽约大学朗格健康中心的合著者杰夫·博克 (Jef Boeke) 告诉 “新科学家”。 “扰乱系统本质上是超高速的进化，但我们可以打开和关闭它。”
为了将几条经过修饰的染色体放入同一个酵母细胞中，Boeke 的团队进行了漫长的杂交育种计划，将具有不同基因组组合的细胞交配。 每一步都有 广泛的“调试”过程，因为合成染色体以不可预测的方式相互作用。
利用这种方法，研究小组将六条完整染色体和另一条染色体的一部分整合到一个存活和生长的细胞中。 然后，他们开发了一种称为染色体替换的方法，从供体细胞转移最大的酵母染色体，将总数增加到七个半，并将合成 DNA 的总量增加到 50% 以上。
将所有 17 条合成染色体放入一个细胞中需要大量的额外工作，但跨越中间点是一项重大成就。 如果该团队能够创造出具有完全合成基因组的酵母，这将标志着我们操纵生命密码的能力发生了重大变化。
“我喜欢称其为开始的结束，而不是结束的开始，因为那时我们才真正能够开始洗牌并生产出可以做我们以前从未见过的事情的酵母， ”博克在新闻稿中说道。
图片来源：部分合成酵母的扫描电子显微照片 / 细胞/赵等人。
