酵母中合成的第一个功能性"设计者"染色体

由纽约大学朗格内医学中心系统遗传学研究所所长杰夫·博克优特EUTECH博士领导的一个国际科学家小组合成了酵母中的第一个功能性染色体，这是合成生物学新兴领域的重要一步，设计了微生物来生产新药、食品原料和生物燃料。

在过去的五年里，科学家已经建立了细菌染色体和病毒DNA，但这是整个真核染色体的第一个报告，这种线状结构携带所有植物和动物细胞核中的基因，从零开始构建。研究人员说，他们的团队的全球努力也标志着自1996年以来酵母遗传学最重要的进展之一，当时科学家最初绘制了酵母的整个DNA代码，或基因蓝图。

"我们的研究将合成生物学的针头从理论转移到现实，"博克博士说，他是合成生物学的先驱，最近从约翰霍普金斯大学加入了纽约大学朗格内分校。

Boeke博士说："这项工作是迄今为止国际上构建合成酵母全基因组的最大一步。

"这是有史以来构建的最广泛的改变染色体。但真正重要的里程碑是将其整合到活酵母细胞中。我们已经表明，携带这种合成染色体的酵母细胞是非常正常的。它们的行为几乎与野生酵母细胞相同，只有它们现在拥有了新的功能，能够做野生酵母细胞无法做到的事情。

在本周的《科学在线》3月27日刊上，研究小组报告了他们如何利用计算机辅助设计，构建出一种功能齐全的染色体，他们称之为synIII，并成功地将其整合到酿酒酵母中，科学上称为糖核糖核酸。

七年来，构建synIII的努力将大约273，871个碱基对DNA捆绑在一起，比其原生酵母对子短，后者有316，667个碱基对。Boeke博士和他的团队对其遗传碱基进行了500多次改变，删除了约47，841个DNA碱基对的重复部分，这些片段被认为对染色体的繁殖和生长是不必要的。也删除了所谓的垃圾DNA，包括碱基对已知不编码任何特定的蛋白质，和"跳跃基因"段已知随机移动和引入突变。其他基对被添加或改变，使研究人员能够标记DNA为合成或原生，并删除或移动基因在synIII。

"当你改变基因组时，你就是在赌博。一个错误的变化会杀死细胞，"博克博士说。"我们已经对染色体中的DNA代码进行了5万多次更改，我们的酵母仍然存活。这是了不起的。它表明，我们的合成染色体是坚硬的，它赋予酵母新的属性。

学生参与拉开了名为Sc2.0的国际努力的序幕，在这项努力中，一些学术研究人员合作重建了整个酵母基因组，包括中国、澳大利亚、新加坡、英国和美国其他地方大学的合作者。

酵母染色体III被选为合成，因为它是16条酵母染色体中最小的一条，控制着酵母细胞如何交配并经历基因变化。DNA 由四个字母指定的碱基大分子组成，这些大分子以重复字母的模式串在一起，成匹配的对或碱基对。"A"代表腺苷，与胸腺素的"T"配对：和 "C" 代表赛斯泰因， 与瓜宁的 "G" 配对。堆叠时，这些碱基对形成类似于扭曲梯子的DNA螺旋结构。

酵母共享大约三分之一的6000个基因功能单位的染色体DNA编码蛋白质与人类。研究小组能够操纵酵母DNA的很大一部分，而不影响染色体的生存能力和功能，使用一种所谓的争先恐后技术，使科学家能够洗牌基因像一副卡片，其中每个基因是一张牌。Boeke博士说："我们可以把任何一组卡片拼凑起来，洗牌，制作数百万个不同的甲板，全部装在一小管酵母里。"现在，我们可以洗牌基因组甲板，它将允许我们问，我们能否用更好的手制作一副卡片，使酵母在多种条件下生存，例如容忍更高的酒精水平。

研究人员说，利用这种杂乱无章的技术，他们将能够更快地开发出酵母合成菌株，这些菌株可用于制造稀有药物，如用于疟疾的青霉素，或用于生产某些疫苗，包括源自酵母的乙型肝炎疫苗。他们说，合成酵母也可以用来促进更高效的生物燃料的开发，如酒精、布塔诺和生物柴油。

Boeke博士补充说，这项研究还将可能促使实验室对特定基因功能和基因之间的相互作用进行调查，以努力了解整个基因网络如何指定单个生物行为。

Boeke博士说，他们重建一条功能正常的染色体的最初成功，将可能导致其他酵母染色体的构建（酵母总共有16条染色体，而人类只有23对），并将基因研究推向一步，以构建生物体的整个功能基因组。

Boeke博士说，国际团队的下一步包括合成更大的酵母染色体，更快、更便宜。他的团队在"建立基因组"学生的进一步支持下，已经着手将碱基对组装成超过10，000个碱基对的块。他们还计划研究synIII，在那里他们争夺染色体，去除，复制，或改变基因顺序。

详细描述地标研究过程

在测试这种杂乱无章的技术之前，研究人员首先评估了SynIII的生殖适应能力，比较了它从单个细胞到许多细胞群的生长和生存能力与原生酵母III的生长和生存能力。酵母增殖是在19种不同的环境条件下测量的，包括温度、酸度和过氧化氢的变化，过氧化氢是一种破坏DNA的化学物质。除一种情况之外，所有情况的增长率保持不变。

对未碎裂的syII的进一步测试，涉及125个细胞分裂后约30个不同的菌落，表明其遗传结构在繁殖时仍然完好无损。根据Boeke博士的说法，随着细胞分裂，每百万个细胞分裂中就有一个染色体损失是正常的。合成物的染色体损失率仅略高于原生酵母III。

为了测试这种杂交技术，研究人员成功地将一个具有synIII的非交配细胞转换成一个细胞，通过消除阻止其交配的基因来交配。