中國科學家搞了大事情:讓酵母菌在無限可能中"成長"

上個月，叫獸君的朋友圈被一則「科學家再造人工合成生命」的新聞刷屏了。該報道稱，科學家以「史無前例」的姿態，用封面文章的形式，在頂級期刊《科學》雜誌上同時發表了4篇論文。論文稱科學家們從頭編寫了一種真核生命——釀酒酵母的DNA，從而創造了人造的真核生命。

得知此消息的朋友們紛紛跑來向我求證，說這回科學家又搞了個大新聞啊，連合成生命都開始搞了？這個人造的酵母到底有啥用啊？甚至有人感到了恐慌——這次搞了個酵母，下回是不是要做人造人了？當然，也有好多人問我要人工合成生命女神的電話…

大新聞是咋回事？

這次報道的主角——人工合成酵母基因組項目（Sc 2.0項目），旨在重新設計合成一個真核單細胞微生物——酵母的16對染色體，即合成世上首例人造酵母。這個項目是由傑夫·博克（Jef Boeke）教授發起，多國團隊共同參與的國際項目。截止目前，科學家們一共合成了16對目標染色體中的6對半。這次《科學》雜誌以專刊形式報道的就是其中5條合成染色體的最新研究進展。專刊中有4篇文章是科學家的工作成果，說明在合成生命的科研領域已經走在了世界的最前列。此處應真心的為的科學團隊點贊！

科學家是直接合成出一個酵母嗎？

很遺憾，由於細胞的成分結構太複雜，科學家還無法通過化學方法直接合成出細胞的全部成分。但是沒關係，也沒有必要重新合成那麼多複雜的東西。有更簡單直接的辦法——合成操縱著生命核心密碼的DNA。首先，科學家們用電腦程序重新設計了酵母菌的DNA序列，然後通過化學合成的方式合成出寡核苷酸鏈（就是超級短的DNA）。因為化學合成越長的DNA越容易出錯，成本很高，窮苦的科學家們hold不住啊。所以只能先合成短的DNA，再像拼積木一樣拼接出長的DNA。你問為什麼不直接化學合成全部DNA？我只能告訴你…

完成這一步之後，再把酵母體內天然的DNA替換為合成的DNA，就算完成了人造生命。當然，現在我們只完成了一部分染色體的合成，等16對染色體全部合成完畢，將它們整合進一個酵母中，形成完整的「人造基因組」，才能最終誕生真正意義上的人造酵母。

人造酵母和天然的酵母有啥區別？

很多人可能會想，既然咱們能創造生命，是不是想造啥就造啥了？對於這樣的問題，我只能默默流淚：生命的機制非常的複雜，科學家還遠沒有弄懂它的作用機制。因此，人造酵母的設計和構建還得參照自然界的酵母，而且，也得保證合成的酵母能表現出與天然的酵母相似的功能。

那麼，人造酵母和自然界的酵母真的沒有區別嗎？當然不是，在盡量模擬自然界酵母的基礎上，科學家們在合成的DNA上做了一些細微但重要的改變。例如，科學家們去除了DNA上一些他們認為無用累贅的序列，作了一些遺傳密碼的同義改寫，並在基因上加入了一個「進化開關」，給每個合成酵母一次進化的機會。科學家們通過引入一種叫做SCRaMbLE的進化系統（圖4），在經過誘導之後，能使每個酵母細胞的全部基因像洗牌一樣發生一次隨機的重新排列。這就給人工合成的酵母菌帶來了無限的可能，讓酵母菌在這無限的可能中找到更好的自己。

合成的酵母有什麼用？

說了這麼多，那合成這樣一個人造酵母有什麼用呢？首先，合成酵母最直接的作用就是讓人類更好的認知生命。大家可能覺得基因組學和分子生物學發展的那麼迅猛，科學家們應該很了解生命了，那麼按圖索驥的合成一個生命應該也沒什麼難度。但是生命的複雜性就像女朋友的心，你以為你對她很了解，但是當你給她買口紅的時候，你才發現…

了解生命對於科學家來說就像了解女朋友，不敢說我們對她的了解一定是正確的——只有當合成生命按照我們預想的方式運作時，才能證明我們對生命的認識無誤。因此，科學家才期待通過研究人造酵母，找出更多與天然酵母不同的地方，從而更好的了解女朋友的本質。

其次，合成的酵母菌本身也有巨大的應用潛力。人類已經利用酵母做了幾千年的啤酒、麵包和饅頭，在基因工程技術的幫助下，可以利用改造的酵母做更多的事情，例如生產抗體、靶向藥物、酵素（酶）、味精等等。這裡不得不提到諾貝爾獎的明星——青蒿素。2013年，傑伊·凱斯林（Jay Keasling）等人在酵母體內加入一系列基因，使其獲得青蒿素前體的合成能力，產量高達驚人的25g/L，大大降低了青蒿素的生產成本，提高了生產效率。利用類似的思路，科學家可以將人造酵母打造成一個「細胞工廠」，可以用來生產香水、合成藥物、生產清潔的能源物質，甚至帶來更多超越想象的新應用，更好的為人類服務。

最後，酵母菌的合成本身就是一種科學技術的突破。科學家從合成最簡單的病毒開始，到支原體菌，再到酵母菌，一步步克服了大小和複雜程度上質的區別。就像製造黑白手機、彩屏手機和智能手機一樣，經過了一個又一個軟體和硬體突破原有技術障礙、逐步升級的過程。掌握了酵母菌的合成技術，合成更高等的生命也就不再是夢想了。

酵母造完了，還有人造人嗎？

從古至今，創造生命就是一個人們津津樂道又爭議不斷的話題。在各民族的神話里，創造生命都是神靈的工作。然而，從合成病毒到合成原核微生物再到正在合成的人造酵母，這些曾經遙不可及的神話如今卻逐漸成為現實。當人類破譯更多真菌、植物，以及動物的遺傳密碼，可能，在不遠的將來，合成第一棵人造植物，第一隻人造萌寵，甚至人造人都會成為可能。但是，合成生物學的飛速發展也帶來了倫理和生命安全上的隱憂。如同所有科技都擁有兩個面，人造生命既能成為對人類有益的「細胞工廠」，也可能被利用來生產具有潛在危害的物質。如何監管這樣的合成生命，維護人類的安全也是一個沉重但不容忽視的話題。

人造生命是一條充滿希望又飽受爭議的荊棘之路。叫獸君認為，不管爭議如何，科學家對於合成生命的探索應當在合理的規範和監管之下，一往無前的繼續走下去。很期待合成酵母之後，不遠的將來能夠看到更多有趣的合成生命誕生。

編輯：明天

排版：曉嵐

題圖來源：123RF

參考文獻：

1.Annaluru， N。，Muller， H。， Mitchell， L。 A。， Ramalingam， S。， Stracquadanio， G。， Richardson， S.M。， 。 。 。 Chandrasegaran， S。 （2014）。 Total Synthesis of a Functional DesignerEukaryotic Chromosome。 Science， 344（6179）， 55-58。 doi：10.1126/science.1249252

2.Cello， J。，Paul， A。 V。， & Wimmer， E。 （2002）。 Chemical synthesis of poliovirus cDNA：generation of infectious virus in the absence of natural template。 Science，297（5583）， 1016-1018。 doi：10.1126/science.1072266

3.Dymond， J。，& Boeke， J。 （2012）。 The Saccharomyces cerevisiae SCRaMbLE system and genomeminimization。 Bioengineered Bugs， 3（3）， 168。

4.Dymond， J。 S。，Richardson， S。 M。， Coombes， C。 E。， Babatz， T。， Muller， H。， Annaluru， N。， 。 。 。Boeke， J。 D。 （2011）。 Synthetic chromosome arms function in yeast and generatephenotypic diversity by design。 Nature， 477（7365）， 471-476.doi：10.1038/nature10403

5.Gibson， D。 G。，Glass， J。 I。， Lartigue， C。， Noskov， V。 N。， Chuang， R。 Y。， Algire， M。 A。， 。 。 。Venter， J。 C。 （2010）。 Creation of a bacterial cell controlled by a chemicallysynthesized genome。 Science， 329（5987）， 52-56。 doi：10.1126/science.1190719

6.Hutchison， C.A。， Chuang， R。-Y。， Noskov， V。 N。， Assad-Garcia， N。， Deerinck， T。 J。， Ellisman，M。 H。， 。 。 。 Venter， J。 C。 （2016）。 Design and synthesis of a minimal bacterialgenome。 Science， 351（6280）。 doi：10.1126/science.aad6253

7.Jackson， D。 A。，Symons， R。 H。， & Berg， P。 （1972）。 Biochemical Method for Inserting NewGenetic Information into DNA of Simian Virus 40： Circular SV40 DNA MoleculesContaining Lambda Phage Genes and the Galactose Operon of Escherichia coli.Proc Natl Acad Sci U S A， 69（10）， 2904-2909。

8.Mercy， G。，Mozziconacci， J。， Scolari， V。 F。， Yang， K。， Zhao， G。， Thierry， A。， 。 。 。Koszul， R。 （2017）。 3D organization of synthetic and scrambled chromosomes.Science， 355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4597

9.Mitchell， L.A。， Wang， A。， Stracquadanio， G。， Kuang， Z。， Wang， X。， Yang， K。， 。 。 。 Boeke， J.D。 （2017）。 Synthesis， debugging， and effects of synthetic chromosomeconsolidation： synVI and beyond。 Science， 355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4831

10.Paddon， C。 J。，Westfall， P。 J。， Pitera， D。 J。， Benjamin， K。， Fisher， K。， McPhee， D。， 。 。 。Newman， J。 D。 （2013）。 High-level semi-synthetic production of the potentantimalarial artemisinin。 Nature， 496（7446）， 528-532。 doi：10.1038/nature12051

11.Richardson， S.M。， Mitchell， L。 A。， Stracquadanio， G。， Yang， K。， Dymond， J。 S。， DiCarlo， J.E。， 。 。 。 Bader， J。 S。 （2017）。 Design of a synthetic yeast genome。 Science，355（6329）， 1040-1044。 doi：10.1126/science.aaf4557

12.Shen， Y。，Stracquadanio， G。， Wang， Y。， Yang， K。， Mitchell， L。 A。， Xue， Y。， 。 。 。 Bader，J。 S。 （2016）。 SCRaMbLE generates designed combinatorial stochastic diversity insynthetic chromosomes。 Genome Res， 26（1）， 36-49。 doi：10.1101/gr.193433.115

13.Shen， Y。， Wang，Y。， Chen， T。， Gao， F。， Gong， J。， Abramczyk， D。， 。 。 。 Yang， H。 （2017）。 Deepfunctional analysis of synII， a 770-kilobase synthetic yeast chromosome.Science， 355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4791

14.Wu， Y。， Li，B。-Z。， Zhao， M。， Mitchell， L。 A。， Xie， Z。-X。， Lin， Q。-H。， 。 。 。 Yuan， Y。-J。（2017）。 Bug mapping and fitness testing of chemically synthesized chromosome X.Science， 355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4706

15.Xie， Z。-X。， Li，B。-Z。， Mitchell， L。 A。， Wu， Y。， Qi， X。， Jin， Z。， 。 。 。 Yuan， Y。-J。 （2017）。「Perfect」 designer chromosome V and behavior of a ring derivative。 Science，355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf4704

16.Zhang， W。，Zhao， G。， Luo， Z。， Lin， Y。， Wang， L。， Guo， Y。， 。 。 。 Dai， J。 （2017）。Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome。 Science，355（6329）。 doi：10.1126/science.aaf3981