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合成生物学还很年轻,中国力争引领

来源:     时间:2017-12-28 21:46:48

继“钱多没事干的去打宫颈癌疫苗”这一观点引起外界哗然后,中国基因测序界龙头华大基因董事长汪建在12月26日启幕的“2017中国深商大会”上再次语出惊人,“未来5到10年我们可以化学合成任何生命。”

实际上,汪建在谈及宫颈癌疫苗的同时,也就是此前在接受腾讯财经的视频采访中,一开始就曾聊到过人造生命。汪建当时称,“用化学的方法来造生命,完全在体外,今年影响世界,人造生命就成了。”

汪建最近频繁谈及的人造生命其实源于华大基因参与的一项国际科研项目——人工合成酵母基因Sc2.0。今年3月10日,国际顶级学术期刊《科学》(Science)以封面的形式同时刊发了中国科学家的4篇研究论文,这4篇论文由清华大学、天津大学和华大基因分别完成,介绍了合成生物学研究的最新突破:完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成。

上述成果被《科学》杂志中国区负责人相艳评价为“里程碑式的成就”,同时“期待基因组合成技术能够在其他生命体以及在其他应用领域取得重大突破”。

然而,“其他生命体”迎来重大突破还需要多久?会是汪建口中的“5到10年”吗?12月28日,澎湃新闻(www.thepaper.cn)围绕合成生物学的进展专访了前述突破性成果的核心研究人员之一,来自于清华大学生命科学学院的研究员戴俊彪。时隔近10个月,戴俊彪的身份也已发生转变,目前是中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所(筹)合成基因组学研究实验室的领头人。

戴俊彪眼下一项重要的工作就是深入推动“国际基因组编写计划•中国”( GP-write China),这一计划已于12月2日在深圳正式启动。“力争在‘编写生命密码’这一新兴领域让中国在世界具有引领地位。”一年半之前,也就是2016年6月2日,国际科学家宣布筹资1亿美元启动“人类基因组编写计划”,目标包括在10年内合成一条完整的人类基因组,把合成大型基因组的成本降低为现在的千分之一。

单细胞真核生物酵母染色体合成尚未全部完成

人工合成酵母染色确实是合成生物学上的一次跳跃。

在更早的2010年,曾领衔人类基因组计划的美国科学家克莱格•文特尔(Craig Venter)完成了在原核生物细菌中进行基因组合成,自此开启了化学合成生命,也就是人造生命的大门。

相比于原核生物,真核生物碱基数量更大,合成时间、成本等相差悬殊。正因如此,美国科学院院士杰夫•博克(Jef Boeke),也就是前述人工合成酵母基因Sc2.0的主导者,耗时3年才完成了第一条人工合成酵母染色体,大小也仅为300kb(千碱基对)。

截至3月10日论文发表,中国科学家共完成了4条酵母染色体合成(接近Mb级别,1Mb=1000kb),戴俊彪团队攻克的正是最长的一条,976kb。加上同期美国团队合成的另一条,目前16条酵母染色体共计完成了6条。

据戴俊彪向澎湃新闻介绍,目前各研究团队仍在继续合作。“澳大利亚、新加坡、英国有几个课题组还在合成剩余的几个染色体,华大基因这边也还在继续做。按计划我们国内三个团队一共需要完成6条,还剩下的2条是华大基因正在做的7号和13号酵母染色体。”

“我们希望在2018年把酵母所有的16条染色体合成完,能够把它们放到同一个细胞里面,这样一个细胞就是完完全全由合成的染色体构成。”戴俊彪提到。

人造生命是合成生物学的终极目标之一

戴俊彪团队,以及华大基因相关研究人员上述的工作可归类到生物科学的一个分支,即合成生物学。“合成生物学简单的概念就是一个构建的过程,相当于用工程学的方法把生物体搭建出来,从而更好地理解这个生物体是怎么样工作的。”

戴俊彪特地比喻,“我们想要知道一辆汽车为什么能跑,最好的办法就是我们把它变成一个个部件,再把这些部件组装起来,如果组装起来的可以跑了,我们对它的机理也就非常了解了。”

但是,“合成生物学还很年轻,本身也是一个大的方向,涵盖范围比较广。”戴俊彪认为,合成生物学在本世纪初新起,主要源于科学家对生物体最基本的理解,尤其是基因组的理解逐渐深入。“搭建生命体,实际上搭建的不是其他东西而是它的整个遗传物质,这就要求我们知道这个生物的遗传物质是什么,遗传物质中各部分分别发挥什么作用,需要这样一个前期的基础条件,有了这个认识才能去进行设计、进行修改。”

在戴俊彪的理解中,合成生物学的终极目标主要有三点。

“第一是帮我们更好地去理解,现在有很多的生物学现象我们并不知道是怎么形成的,我们通过对DNA的重新设计、构建帮助我们去更好地理解这个生物学现象,怎么样能更好地工作。”

戴俊彪提到,“人造生命”应该来说就是属于这个范畴。“我们目前还不完全了解遗传信息是如何一点点去发挥作用的,我们能不能通过对整个遗传物质的设计帮我们理解。人造生命就是通过对生命的“造”去了解这个生命是如何工作的,原理又是什么。”

上述被总结为“构建以助于理解”,第二个目标则是“构建以助于应用”。“ 比如说植物里面有各种有用的产物,我们希望通过构建改造细胞让它变成一个“工厂”,去大量生产原本这个细胞不能或只能非常微量生产的这种天然产物、药物,用于治疗疾病等。”

最后一个跟疾病和生命相关。“我们能不能去设计一些生命体,包括细菌、噬菌体、病毒等,帮我们有目标地区分癌细胞、正常细胞,如果是癌细胞就进去把它杀死,这些思路在治疗糖尿病等其他疾病方面也可以应用,这些最终需要放到人体内去做。”

科学角度来说“5到10年”有点夸张

谈及如何看待汪建所说的“未来5到10年我们可以化学合成任何生命”,戴俊彪笑言,“从科学的角度来说,汪老师说得有点夸张了。我们还有很长一段路要去走,起码在技术层面还有很多的问题要去解决,应该还需要多一点的时间。”

就以如何从酵母这一单细胞生物深入研究到多细胞生物来说,跨度依然很大。“现在有一些这样的计划还在探讨过程中,做一些前期的技术储备,我们当然希望能够把它扩展到更多其他的微生物、多细胞生物等,比如说了解多细胞的发育能怎么样被更好地调控等,我们希望在这些方面有更深入的研究。”

不同于企业家汪建,戴俊彪显然更加谨慎。“但因为现在整个基因组的大小、后续的遗传操作成熟度等原因,我们还在发展各种方法,需要把前期的技术障碍先给克服掉。”

戴俊彪具体提及,“第一,大部分的多细胞生物基因组的大小要比酵母大10倍甚至100倍,意味着我们合成的时间就长了,需要耗费的经费也多了。第二个限制因素是多细胞生物的遗传工具并不是那么的成熟,你或许可以做很大的基因组,但最后很难整合到它们的基因组里面去,去取代掉原来的那部分,这里还有相当大的困难。另外即使我们可以用酿酒酵母拼接出很大的染色体,但怎么样把这么大的一个染色体转移放到另一个多细胞生物里面去,也就是大片段DNA的移植也是需要去解决的问题。”

尤其对于人类生命再造而言,难度则更大。“其实我们还有很多的问题,其中一个最大的问题就是其实我们对微生物知道得比较多,但对人体的基因怎么样去决定各种性状,这个基础方面的知识还远远不够”。

正如戴俊彪一开始提到的合成生物学的出现源于对基因组的理解,“即使你有能力去合成人所有的DNA,但你合成出来的是没有意义的,因为你不知道合成出来的东西是如何发挥功能的,也就不可能去设计让它功能发挥得更好。”

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