进化生物学家斯蒂芬·杰伊·古尔德曾经思考过，如果将生命“磁带”倒回并重新播放会发生什么。合成生物学家通过从头设计染色体，将其插入酵母中，并观察修改后的生物体是否仍能正常运作，来测试这一概念的某个方面。
根据今天发表在《科学》杂志上的七篇论文，它们确实如此。这些论文描述了五个重新设计的酵母染色体的创建、测试和改进。连同第六个先前合成的染色体，它们代表了面包酵母酿酒酵母基因组的三分之一以上。创建染色体的200多名研究人员组成的国际联盟预计将在年底前完成一个完全合成的酵母基因组。
该团队已经完成的工作可能有助于优化微生物的创造，以大量生产酒精、药物、香料和燃料。它也为未来关于基因组如何进化和功能的研究提供了指导。
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“这里令人惊奇的是，他们正在通过一个设计-构建-测试-学习的循环来弄清楚如何调整基因组，而不仅仅是合成它，”加利福尼亚州埃默里维尔的Amyris Biotechnologies的联合创始人杰克·纽曼说。他补充说，这种方法类似于计算机科学家在试图理解十年前编写的计算机代码时可能采取的方法，尽管对于经历了数百万年进化的基因组来说，这项任务要困难得多。酵母起源于5000多万年前，当时酿酒属从其他真菌中分支出来。
构建模块
2010年，遗传学家克雷格·文特及其团队公布了第一个合成基因组，它是来自细菌寄生虫支原体支原体的基因代码的简化版本。四年后，由纽约市纽约大学朗格尼医学中心的酵母遗传学家杰夫·博克领导的团队合成了来自酵母的染色体，酵母是一种更复杂的生物，被归类为真核生物——一个也包括植物、蠕虫和人类的群体。
文特的目标是实现维持生命所需的最小基因组，但博克试图探索关于进化的基本问题，例如酵母是否可以通过其他途径进化。他将这个问题转化为一个可以通过合成生物学测试的假设：你可以在多大程度上改变一个基因组，并且仍然拥有一个可以正常运作的生物体？
为了寻找答案，博克将酿酒酵母的16条染色体分配给了遍布美国、英国、中国、新加坡和澳大利亚的合作团队。每个团队都要创建一个稳定但可进化的染色体，并保持酵母像往常一样运作。
各团队使用计算机程序设计各自染色体的代码。他们省略了一些在天然酵母染色体中发现的序列，例如基因组的重复部分，希望增加合成版本的稳定性。他们还赋予他们的创造物一种模拟驱动进化的随机变异的机制。当触发这种加扰系统时，它可以随机地洗牌、复制和删除基因。
巴黎巴斯德研究所的研究人员领导的一个团队记录了合成酵母细胞核的剧烈结构变化，即使它继续茁壮成长，制造蛋白质并繁殖。“看起来我们真的可以用复杂的方式来折磨基因组，而且酵母经常耸耸肩，像正常一样生长，”博克说。
未来计划
联盟中的一些团队发明了快速识别合成染色体错误的技术。由中国天津大学的研究人员领导的另一个小组优化了消除染色体遗传序列中错误的技术，在一个实例中使用了基因编辑工具CRISPR-Cas9。
马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的遗传学家乔治·丘奇说：“考虑到他们在该染色体中合成了536,024个碱基对，并且只使用了CRISPR来处理其中的45个，这让人感到耳目一新。”“这让你觉得这可能是下一个大事件。”
他说，基因组合成不太可能取代诸如CRISPR之类的工具，后者允许科学家在生物体中添加或减去有限数量的基因。但它可能会成为需要复杂基因变化的应用程序的首选方法。这包括工程改造酵母和其他微生物以生产香料和其他材料；依赖此类微生物的制造商可以使用合成基因组来使这些生物体更能抵抗有害病毒，例如。
丘奇说：“如果你将这些[微生物]菌株离线并重新编程它们的代码，然后将它们放回去，病毒就会太落后，无法再回来。”“这就像回到中世纪并给一个国家氢弹一样。”
一些小组已经启动了合成细菌大肠杆菌和人类等物种的基因组的努力。博克有信心他的联盟将在年底前创建一个完全合成的酵母基因组。该团队已经创建了几个额外的染色体，并且正在调试和测试它们。
丘奇说，该小组的最新成果将鼓励其他人敢于梦想：“他们已经能够在代码中引起根本性的变化，因此它会鼓励你更加激进。”
本文经许可转载，并于2017年3月9日首次发表。