進化生物學家斯蒂芬·傑伊·古爾德曾經思考過，如果將生命“磁帶”倒回並重新播放會發生什麼。合成生物學家透過從頭設計染色體，將其插入酵母中，並觀察修改後的生物體是否仍能正常運作，來測試這一概念的某個方面。
根據今天發表在《科學》雜誌上的七篇論文，它們確實如此。這些論文描述了五個重新設計的酵母染色體的建立、測試和改進。連同第六個先前合成的染色體，它們代表了麵包酵母釀酒酵母基因組的三分之一以上。建立染色體的200多名研究人員組成的國際聯盟預計將在年底前完成一個完全合成的酵母基因組。
該團隊已經完成的工作可能有助於最佳化微生物的創造，以大量生產酒精、藥物、香料和燃料。它也為未來關於基因組如何進化和功能的研究提供了指導。
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“這裡令人驚奇的是，他們正在透過一個設計-構建-測試-學習的迴圈來弄清楚如何調整基因組，而不僅僅是合成它，”加利福尼亞州埃默裡維爾的Amyris Biotechnologies的聯合創始人傑克·紐曼說。他補充說，這種方法類似於計算機科學家在試圖理解十年前編寫的計算機程式碼時可能採取的方法，儘管對於經歷了數百萬年進化的基因組來說，這項任務要困難得多。酵母起源於5000多萬年前，當時釀酒屬從其他真菌中分支出來。
構建模組
2010年，遺傳學家克雷格·文特及其團隊公佈了第一個合成基因組，它是來自細菌寄生蟲支原體支原體的基因程式碼的簡化版本。四年後，由紐約市紐約大學朗格尼醫學中心的酵母遺傳學家傑夫·博克領導的團隊合成了來自酵母的染色體，酵母是一種更復雜的生物，被歸類為真核生物——一個也包括植物、蠕蟲和人類的群體。
文特的目標是實現維持生命所需的最小基因組，但博克試圖探索關於進化的基本問題，例如酵母是否可以透過其他途徑進化。他將這個問題轉化為一個可以透過合成生物學測試的假設：你可以在多大程度上改變一個基因組，並且仍然擁有一個可以正常運作的生物體？
為了尋找答案，博克將釀酒酵母的16條染色體分配給了遍佈美國、英國、中國、新加坡和澳大利亞的合作團隊。每個團隊都要建立一個穩定但可進化的染色體，並保持酵母像往常一樣運作。
各團隊使用計算機程式設計各自染色體的程式碼。他們省略了一些在天然酵母染色體中發現的序列，例如基因組的重複部分，希望增加合成版本的穩定性。他們還賦予他們的創造物一種模擬驅動進化的隨機變異的機制。當觸發這種加擾系統時，它可以隨機地洗牌、複製和刪除基因。
巴黎巴斯德研究所的研究人員領導的一個團隊記錄了合成酵母細胞核的劇烈結構變化，即使它繼續茁壯成長，製造蛋白質並繁殖。“看起來我們真的可以用複雜的方式來折磨基因組，而且酵母經常聳聳肩，像正常一樣生長，”博克說。
未來計劃
聯盟中的一些團隊發明了快速識別合成染色體錯誤的技術。由中國天津大學的研究人員領導的另一個小組優化了消除染色體遺傳序列中錯誤的技術，在一個例項中使用了基因編輯工具CRISPR-Cas9。
馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的遺傳學家喬治·丘奇說：“考慮到他們在該染色體中合成了536,024個鹼基對，並且只使用了CRISPR來處理其中的45個，這讓人感到耳目一新。”“這讓你覺得這可能是下一個大事件。”
他說，基因組合成不太可能取代諸如CRISPR之類的工具，後者允許科學家在生物體中新增或減去有限數量的基因。但它可能會成為需要複雜基因變化的應用程式的首選方法。這包括工程改造酵母和其他微生物以生產香料和其他材料；依賴此類微生物的製造商可以使用合成基因組來使這些生物體更能抵抗有害病毒，例如。
丘奇說：“如果你將這些[微生物]菌株離線並重新程式設計它們的程式碼，然後將它們放回去，病毒就會太落後，無法再回來。”“這就像回到中世紀並給一個國家氫彈一樣。”
一些小組已經啟動了合成細菌大腸桿菌和人類等物種的基因組的努力。博克有信心他的聯盟將在年底前建立一個完全合成的酵母基因組。該團隊已經建立了幾個額外的染色體，並且正在除錯和測試它們。
丘奇說，該小組的最新成果將鼓勵其他人敢於夢想：“他們已經能夠在程式碼中引起根本性的變化，因此它會鼓勵你更加激進。”
本文經許可轉載，並於2017年3月9日首次發表。