合成生物学已经在改写生命。
2023年底，科学家 显露的酵母细胞 他们一半的基因蓝图被人工 DNA 取代。这是一个“分水岭”时刻 历时18年的项目 设计每个酵母染色体的替代版本。尽管有七个半合成染色体，这些细胞仍能繁殖并茁壮成长。
一项新的研究 让我们沿着进化阶梯向上，走向设计师植物。
在一个名为 SynMoss 的项目中，中国的一个团队重新设计了一种苔藓中单个染色体的一部分。由此产生的部分合成植物正常生长并产生孢子，使其成为第一个具有多个细胞且携带部分人工染色体的生物之一。
与合成酵母相比，植物染色体的定制变化相对较小。但这是朝着完全重新设计高级生物体基因组迈出的一步。
在接受记者采访时 科学伦敦帝国理工学院的合成生物学家汤姆·埃利斯博士表示，这“给那些认为合成基因组只适用于微生物的人敲响了警钟”。
升级生活
重写生活的努力不仅仅是为了满足科学好奇心。
修改 DNA 可以帮助我们破译进化历史，并查明保持染色体稳定或导致疾病的关键 DNA 片段。这些实验还可以帮助我们更好地了解 DNA 的“暗物质”。散落在基因组中的、不编码蛋白质的神秘序列长期以来一直困扰着科学家：它们是有用的还是只是进化的残余？
合成有机体还使得设计生物变得更加容易。例如，细菌和酵母已经被用来酿造啤酒和生产胰岛素等救生药物。通过添加、切换或删除基因组的某些部分，可以赋予这些细胞新的能力。
在最近的一项研究中例如，研究人员对细菌进行了重新编程，以使用自然界中不存在的氨基酸构件来合成蛋白质。 在另一 在研究中，一个团队将细菌变成了咀嚼塑料的终结者，将塑料废物回收成有用的材料。
虽然令人印象深刻，但细菌是由与我们不同的细胞组成的——它们的遗传物质漂浮在周围，使它们更容易重新连接。
合成酵母项目 是一个突破。与细菌不同，酵母是真核细胞。植物、动物和人类都属于这一类。我们的 DNA 被保护在一个称为细胞核的坚果状气泡内，这使得合成生物学家的调整变得更具挑战性。
就真核生物而言，植物比酵母（一种单细胞生物）更难操纵，因为它们含有协调生长和繁殖的多种细胞类型。根据每个细胞的功能，染色体的变化可能会产生不同的结果，进而影响植物的健康。
“多细胞生物中的基因组合成仍然是未知领域，”该团队在论文中写道。
缓慢而稳定
该团队没有从头开始构建一个全新的基因组，而是对现有的苔藓基因组进行了修改。
这种绿色绒毛已在实验室中得到广泛研究。 早期分析 对苔藓基因组的研究发现它有 35,000 个潜在基因——对于植物来说极其复杂。它的所有 26 条染色体均已完成测序。
因此，该植物是“进化发育和细胞生物学研究中广泛使用的模型”，该团队写道。
苔藓基因很容易适应环境变化，尤其是那些修复阳光造成的 DNA 损伤的基因。与其他植物（例如生物学家青睐的另一种模型拟南芥）相比，苔藓具有耐受较大 DNA 变化和更快再生的内在能力。研究小组解释说，在重写基因组时，这两个方面都是“必不可少的”。
另一项福利？苔藓可以从单个细胞长成完整的植物。这种能力是合成生物学家的梦想，因为仅改变一个细胞中的基因或染色体就可能改变整个生物体。
就像我们自己的染色体一样，植物染色体看起来像一个带有两条交叉臂的“X”。在这项研究中，研究小组决定重写植物中最短的染色体臂——18号染色体。这仍然是一个艰巨的项目。此前，最大的替换仅为约5,000个DNA字母；新研究需要替换超过 68,000 个字母。
该团队写道，用“重新设计的大型合成片段取代天然 DNA 序列提出了巨大的技术挑战”。
他们采取了分而治之的策略。他们首先设计了中等大小的合成DNA块，然后将它们组合成染色体臂的单个DNA“巨型块”。
新设计的染色体有几个显着的变化。它被剥夺了转座子或“跳跃基因”。这些 DNA 块在基因组中移动，科学家们仍在争论它们是否对正常生物功能至关重要，或者是否会导致疾病。研究小组还在染色体上添加了 DNA“标签”，将其标记为合成的，并改变了它调节某些蛋白质制造的方式。
总体而言，这些变化使染色体的大小减少了近 56%。将设计染色体插入苔藓细胞后，研究小组将它们培育成成年植物。
半合成花
即使基因组经过大量编辑，合成的苔藓仍然出人意料地正常。这些植物很容易长成具有多个分支的多叶灌木，并最终产生孢子。所有的繁殖结构都与野生环境中发现的相似，这表明半合成植物具有正常的生命周期，并且有可能繁殖。
这些植物还保持了对高盐环境的适应能力——这在它们的天然植物中也能看到，这是一种有用的适应能力。
但合成苔藓确实有一些意想不到的表观遗传怪癖。表观遗传学是研究细胞如何打开或关闭基因的科学。与天然苔藓相比，染色体的合成部分具有不同的表观遗传特征，具有比平常更多的激活基因。该团队表示，这可能是有害的。
苔藓还为 DNA 的“暗物质”（包括转座子）提供了潜在的见解。删除这些跳跃基因似乎不会损害部分合成的植物，这表明它们可能对它们的健康并不重要。
更实际的是，结果可以 推动生物技术努力 利用苔藓生产多种治疗性蛋白质，包括对抗心脏病、治愈伤口或治疗中风的蛋白质。莫斯已被用于合成医疗药物。部分设计的基因组可以改变其新陈代谢，增强其抵抗感染的能力，并提高产量。
下一步是用合成序列替换整个 18 号染色体的短臂。他们的目标是在 10 年内生成完整的合成苔藓基因组。
这是一个雄心勃勃的目标。与酵母基因组相比，苔藓基因组要大 18 倍，酵母基因组花了 40 年时间并通过全球合作重写了一半。但随着 DNA 读取和合成技术越来越高效、越来越便宜，这一目标并非遥不可及。
类似的技术还可以激发其他项目，重新设计细菌和酵母之外的从植物到动物的生物体的染色体。
图片来源： 耐热玻璃 / 维基共享资源
