基因組與細胞工程

“人造生命”的合成是合成生物學發展史上的里程碑式事件，也為合成生物學的大規模發展奠定了最基本的使能技術基礎。前者的代表性案例可追溯至?20?世紀?60?年代中國完成具有生理活性的牛胰島素的全人工合成，而后者則可經典地追溯至?DNA?重組技術（包括原核與真核的基因克隆技術）的成功引發著名波蘭遺傳學家?Waclaw Szybalski?于?1974—1978?年數次提出的“合成生物學”愿景。20?世紀?90?年代以來，基因組測序注釋技術的突破，原則上實現了“讀”基因組的可能性，自然也衍生出“設計”的可能性；各類定向性的?DNA?突變、擴增及克隆技術（乃至近年來的編輯技術）原則上實現了對基因組“編”即改造或重編程的可能性；而?DNA?的大規模合成與組裝及構建能力的提高，則在原則上實現了對基因組“寫”即合成的可能性。于是，以合成基因組及對基因組編輯為目標的基因組工程以及與此相關聯的細胞工程自然成為過去?20?年中，合成生物學最為緊迫也最為受挑戰的任務之一。

早在?2002?年，研究人員就用化學方法合成了與脊髓灰質炎病毒基因組?RNA?互補的?cDNA，使其在體外?RNA?聚合酶的作用下轉錄成病毒的?RNA，最終重新裝配成具有侵染能力的病毒；此后又通過寡核苷酸的合成與逐步組裝，得到一個全化學合成的?φX174?噬菌體基因組后，實現了支原體之間基因組?DNA?轉移和支原體基因組人工合成技術的突破。2010?年，Gibson?等設計、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胞中，創造了世界上第一個僅由人工化學合成染色體控制的、具自我復制能力的“新細胞——Synthia”。同年，Gibson?等通過與酶和化學試劑的混合物相結合，首次化學合成了小鼠線粒體基因組。此后，研究人員又使用基因組合成方法化學合成了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?年開始，來自世界多個國家的研究人員開始實施第一個真核生物基因組合成計劃——合成酵母基因組計劃（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，但這是通往構建一個完整的真核細胞生物基因組的關鍵一步，特別是建立了利用計算機輔助設計染色體序列的技術。2017?年?3?月，參與?Sc2.0?研究的各國科學家完成了?2、5、6、10?和?12?號染色體的合成與組裝，在真核生物基因組設計與化學合成方面取得重大突破。2018?年，我國科研人員充分利用?CRISPR-Cas?等基因編輯使能技術及合成生物學的“設計—合成—檢測”的工程學理念，成功實現了單染色體啤酒酵母細胞的人工創建，是合成生物學基因組工程與細胞工程方面的里程碑式突破；它不僅為人類對生命本質的研究（即“真核生物能不能以一條染色體編碼基因組”的科學問題）開辟了新方向，也為研究人類端粒功能及細胞衰老提供了很好的模型。

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