“人造生命體”合成酵母基因：加裝系統(tǒng)讓菌株快速進(jìn)化

• 2018年5月23日 FanTianQing來(lái)源：新浪網(wǎng) 1271 83
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  2018-2023年中國(guó)眼科醫(yī)療器械市場(chǎng)深度全景調(diào)研及“十三五”發(fā)展前景預(yù)測(cè)報(bào)告

  在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，企業(yè)及投資者能否做出適時(shí)有效的市場(chǎng)決策是制勝的關(guān)鍵。眼科醫(yī)療器械行業(yè)研究報(bào)告就是為了解行情、分析環(huán)境提供依據(jù)，是企業(yè)了解市場(chǎng)和把握發(fā)展方向的重要手段，是輔助企業(yè)...

戴俊彪在接受媒體采訪時(shí)表示，“利用SCRaMbLE 系統(tǒng)，我們可以在短時(shí)間內(nèi)快速地讓合成的酵母染色體發(fā)生重新排列，這在傳統(tǒng)基因組進(jìn)化過(guò)程中是需要很多很多年的時(shí)間?！?/p>

“人造生命體”合成酵母基因有新進(jìn)展。

由美國(guó)科學(xué)院院士Jef Boeke主導(dǎo)的國(guó)際科研項(xiàng)目——人工合成酵母基因Sc2.0，試圖從酵母開(kāi)始揭開(kāi)“人工再造生命體”的神秘面紗，從“上帝”手中爭(zhēng)奪“書(shū)寫(xiě)生命”的特權(quán)。

2017年3月10日，國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》（Science）在同一天發(fā)表了上述項(xiàng)目的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)的7篇專刊論文。截至當(dāng)時(shí)論文發(fā)表，16條酵母染色體合成了6條，其中彼時(shí)還是清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員的戴俊彪、天津大學(xué)化工學(xué)院教授元英進(jìn)等率領(lǐng)的中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)完成了工作量的66.7%。

一年之后，這支國(guó)際團(tuán)隊(duì)再次推出最新成果。北京時(shí)間5月23日凌晨，國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》（Nature）子刊《自然?通訊》（Nature Communications）以?？问烬R發(fā)7篇成果，中英美德四國(guó)科研團(tuán)隊(duì)圍繞在人工合成酵母染色體上加裝的SCRaMbLE 系統(tǒng)（Synthetic Chromosome Recombination and Modification by LoxP-Mediated Evolution）及其應(yīng)用展開(kāi)了一系列研究。

戴俊彪在接受媒體采訪時(shí)表示，“利用SCRaMbLE 系統(tǒng)，我們可以在短時(shí)間內(nèi)快速地讓合成的酵母染色體發(fā)生重新排列，這在傳統(tǒng)基因組進(jìn)化過(guò)程中是需要很多很多年的時(shí)間?！?/p>

戴俊彪目前是中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所合成基因組學(xué)研究中心的領(lǐng)頭人，也是Sc2.0項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人之一。他進(jìn)一步解釋，“現(xiàn)在我們只是針對(duì)一條染色體，未來(lái)如果整個(gè)基因組可以發(fā)生類似的基因重組，那兩三天之內(nèi)就可以發(fā)生翻天覆地的各種各樣的重排。”

最新的研究進(jìn)展還著重驗(yàn)證了SCRaMbLE 系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用菌株身上的潛力。實(shí)際上，對(duì)于工業(yè)上常用的酵母菌而言，SCRaMbLE 系統(tǒng)的“威力”在于可以迅速優(yōu)化它們?；蛟诙潭處滋鞎r(shí)間內(nèi)，大量的遺傳變異體“池子”就可以被制造出來(lái)，研究人員可以按工業(yè)生產(chǎn)各取所需。

“加裝”SCRaMbLE 系統(tǒng)

酵母菌株迅速進(jìn)化的“超能力” 來(lái)自于SCRaMbLE 系統(tǒng)，然而SCRaMbLE 系統(tǒng)卻不是天然存在的，是研究人員在人工合成酵母染色體時(shí)“加裝”進(jìn)去的。

“實(shí)際上，在設(shè)計(jì)合成染色體的時(shí)候，我們?cè)诿恳粋€(gè)非必需基因的后面都摻入了一個(gè)LoxPsym位點(diǎn)，LoxPsym位點(diǎn)能被Cre重組酶識(shí)別。LoxPsym位點(diǎn)就相當(dāng)于是特殊的標(biāo)簽，Cre重組酶進(jìn)去之后抓出2個(gè)LoxPsym位點(diǎn)就能對(duì)對(duì)它們進(jìn)行重組?！?/p>

回到Sc2.0項(xiàng)目，這一項(xiàng)目的目標(biāo)是人工合成整個(gè)酵母的基因組。不過(guò)，Sc2.0項(xiàng)目目前仍保留了大量野生型基因組的DNA序列，同時(shí)只引入了少量新的改變。

其中一個(gè)改變就是特定重組位點(diǎn)的插入，即loxPsym位點(diǎn)，位于每個(gè)非必需基因終止密碼子下游3bp（堿基）的位置。類似來(lái)源于P1噬菌體的天然LoxP位點(diǎn)，loxPsym位點(diǎn)能通過(guò)Cre重組酶促進(jìn)直接重組。研究證實(shí)，SCRaMbLE可以介導(dǎo)長(zhǎng)達(dá)幾百Kb（千堿基對(duì)）范圍的基因組重排。

戴俊彪解釋，“合成酵母里面每條染色體上面可能都有幾百個(gè)LoxPsym位點(diǎn)，Cre重組酶可以在不同的菌株里面隨便抓2個(gè)進(jìn)行重組，這就相當(dāng)于整條染色體在大的菌株群體里面發(fā)生了各種不同的重排過(guò)程?！?/p>

毫無(wú)疑問(wèn)，相比于傳統(tǒng)繁殖、誘變，甚至現(xiàn)有的遺傳工程等，SCRaMbLE系統(tǒng)下的這項(xiàng)新技可以在短時(shí)間內(nèi)制造大量遺傳變異體的“池子”。

戴俊彪表示，“想要誘導(dǎo)SCRaMbLE，第一合成染色體上要有很多不同的LoxPsym位點(diǎn)分布在不同的位置，第二要誘導(dǎo)表達(dá)Cre重組酶。而染色體重排以后會(huì)對(duì)這條染色體上的基因表達(dá)造成一定的影響，所以可以通過(guò)這點(diǎn)優(yōu)化底盤(pán)細(xì)胞，也就是讓細(xì)胞對(duì)某一種性狀更適應(yīng)?！?/p>

值得一提的是，SCRaMbLE系統(tǒng)早在2011年就首次發(fā)表于《自然》，由Boeke率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成研究。在當(dāng)時(shí)的研究中，攜帶部分人工合成染色體（插入43個(gè)LoxPsym位點(diǎn)）的菌株在重組酶激活后最終產(chǎn)生了突變菌株，這些突變株在生長(zhǎng)率方面表現(xiàn)出了很大的變化。同時(shí)還證明了重組僅僅發(fā)生在LoxPsym位點(diǎn)。

戴俊彪稱，研究人員將這一系統(tǒng)命名為SCRaMbLE系統(tǒng)，暗示著原基因組被徹底“打亂了”（scramble）。

戴俊彪和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)蔡毅之的合作隊(duì)伍還為SCRaMbLE系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套篩選系統(tǒng)ReSCuES，這套系統(tǒng)被形象地稱為神奇的“進(jìn)化加速器”。

在細(xì)胞內(nèi)的野生型loxP位點(diǎn)和loxPsym位點(diǎn)具有嚴(yán)格的正交性，即不會(huì)發(fā)生交叉反應(yīng)，但是都能夠被Cre重組酶識(shí)別并介導(dǎo)反應(yīng)。利用這一特性，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)正交性的報(bào)告系統(tǒng)ReSCuES，可以從SCRaMbLE后的混亂群體中精確篩選出發(fā)生基因組重排的細(xì)胞。

此外，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Tom Ellis團(tuán)隊(duì)還重點(diǎn)對(duì)攜帶了一條完全人工合成染色體（5號(hào)染色體）的酵母進(jìn)行了應(yīng)用研究。用SCRaMbLE系統(tǒng)改善藥物合成，并使菌株適應(yīng)另一種替代糖原的代謝。

研究團(tuán)隊(duì)將盤(pán)尼西林生物合成途徑放入到酵母中，通過(guò)SCRaMbLE系統(tǒng)對(duì)合成染色體進(jìn)行基因重排，最終盤(pán)尼西林產(chǎn)量提高了2倍。他們還用SCRaMbLE系統(tǒng)來(lái)改進(jìn)酵母菌株，提高酵母對(duì)替代糖原木糖的利用。

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