多年來，揭開遺傳過程復(fù)雜基礎(chǔ)的神秘面紗一直是生物學(xué)家的“看，不接觸”的努力。遺傳物質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)指導(dǎo)這些過程的復(fù)雜機(jī)制是微妙和復(fù)雜的。事實(shí)證明，篡改這些元素很困難，既可以改變和跟蹤細(xì)胞，也可以將細(xì)胞傳遞給細(xì)胞。

在本月的三月基因組進(jìn)展中，我們了解到科學(xué)家們?nèi)绾胃矣谥匦略O(shè)計(jì)一種酵母 - 釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae) -自古以來就一直有助于釀酒，烘焙和釀造。研究人員選擇重新設(shè)計(jì)一些釀酒酵母基因組，酵母的完整遺傳物質(zhì)。在使用計(jì)算機(jī)模擬對一段酵母基因組上的基因進(jìn)行切割和改組之后，他們創(chuàng)建了一個(gè)可以根據(jù)命令重新排列的更光滑序列的藍(lán)圖?？茖W(xué)家們根據(jù)模擬參考序列的圖譜將許多核苷酸(DNA的基本構(gòu)建模塊)拼接在一起。最終結(jié)果是一種名為synIII的合成染色體，當(dāng)插入宿主酵母細(xì)胞時(shí)其功能正常。

科學(xué)家已經(jīng)構(gòu)建了合成細(xì)菌和病毒基因組，但從未成功地從更復(fù)雜的細(xì)胞如酵母中創(chuàng)建染色體。與科學(xué)家稱為原核生物的更簡單的細(xì)菌不同，真核細(xì)胞的基因組更大，更復(fù)雜; 他們的DNA被緊緊地扭曲成多個(gè)稱為染色體的小包裝。另一方面，細(xì)菌通常只含有一個(gè)緊密的DNA環(huán)，由于其結(jié)構(gòu)更簡單，體積更小，因此通常更容易使用和復(fù)制。

synIII染色體是復(fù)雜細(xì)胞中第一個(gè)完全由人造設(shè)計(jì)的染色體。這標(biāo)志著本研究背后的國際團(tuán)隊(duì)的一個(gè)重要里程碑，他將使用這些方法構(gòu)建一個(gè)完整的合成真核基因組，Sc2.0(www.syntheticyeast.org)，從頭開始創(chuàng)建一個(gè)完整的人工酵母基因組，植入宿主細(xì)胞。

釀酒酵母被研究人員用作模型生物，尋求關(guān)于更復(fù)雜細(xì)胞中基因之間相互作用的答案。的釀酒酵母基因組包括約6000個(gè)基因，其中產(chǎn)生具有相似功能的更復(fù)雜的細(xì)胞，包括那些在多細(xì)胞生物體像人類的蛋白質(zhì)。釀酒酵母

中的6,000個(gè)基因中約有5,000個(gè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)基因組是“非必需的” - 也就是說，酵母即使在這些基因發(fā)生突變以便無功能時(shí)也能存活(研究人員通過觀察基因在單獨(dú)關(guān)閉時(shí)的表達(dá)來確定)。盡管大多數(shù)酵母的基因都是非必需的，但它們可能具有選擇性的優(yōu)勢，使它們能夠持久存在。在將synIII染色體整合在一起時(shí)，研究人員試圖在確定多種基因相互作用后，確定哪些個(gè)體非必需基因可以安全刪除。

Jef D. Boeke博士和他在巴爾的摩約翰霍普金斯大學(xué)(JHU)的團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)重新排列和刪除了沒有編碼蛋白質(zhì)的額外DNA片段。他們畫了一幅粗略的草圖，說明在改變原生染色體的長度后，他們想要的合成染色體可能會是什么樣子，導(dǎo)致基因在用一種叫做雌二醇的激素治療時(shí)“爭搶”。這使得該團(tuán)隊(duì)能夠控制釀酒酵母基因組的進(jìn)化和大小減少。

以模擬的synIII模型為參考，參加JHU“Build-A-Genome”課程的本科學(xué)生使用DNA'構(gòu)建塊'拼湊更大的DNA串(稱為'minichunks')。其他人工DNA序列用于追蹤非必需基因，因?yàn)樗鼈儽惶砑拥胶铣扇旧w中。在將11個(gè)新基因插入宿主酵母細(xì)胞后，較小的流線型synIII序列就是剩余的。

盡管預(yù)測的序列與所得的synIII之間存在一些細(xì)微的差異，但植入人工染色體的酵母菌落生長迅速，并且與未修飾的釀酒酵母菌落一樣具有遺傳穩(wěn)定性。它們基本上沒有區(qū)別。

雖然這項(xiàng)研究的一個(gè)主要目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)可能被刪除的基因目錄，同時(shí)仍然允許酵母在特定條件下存活，但研究團(tuán)隊(duì)在爭奪個(gè)別非必需基因時(shí)面臨挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)需要進(jìn)行一些修改以獲得對重排的更大控制，但基因組生物學(xué)家現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)和構(gòu)建人造真核染色體這一事實(shí)是設(shè)計(jì)師基因組科學(xué)中的重要一步。

Boeke博士和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了在不影響其生存和繁殖能力的情況下徹底改造酵母基因組的可行性。當(dāng)他們繼續(xù)合成剩下的15個(gè)酵母染色體時(shí)，我們將看到未來我們?nèi)绾卧诟鼜?fù)雜的生物體中重新設(shè)計(jì)基因組。除了這項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)中的明確應(yīng)用 - 釀酒酵母可用于生產(chǎn)生物燃料 - 有一天我們可能設(shè)計(jì)和植入合成的人類染色體作為基因療法，或者甚至可能取代完整的基因組來修復(fù)引起疾病的突變。