一個全球研究團隊已經建立了五個新的合成酵母染色體，這意味著30%的關鍵生物的遺傳物質現已被換掉進行工程替代。這是3月10日發(fā)表的七篇論文的一些研究結果之一，作為科學的封面故事。由NYU Langone遺傳學家Jef Boeke博士和200多位作者組成的團隊，這些出版物是合成酵母項目(Sc2.0)的最新成果。到今年年底，這個國際財團希望設計和建造所有16條染色體的合成版本 - 包含DNA的結構 - 用于單細胞微生物Baker 酵母(釀酒酵母)。

與計算機程序員一樣，科學家們在人類，植物，細菌或酵母染色體上添加大量合成DNA，或者從人體，植物，細菌或酵母染色體中去除延伸，以期避免疾病，制造藥物或使食物更有營養(yǎng)。貝克酵母長期以來一直是一個重要的研究模型，因為它們的細胞與人體細胞共有許多特征，但更簡單，更容易研究。

“這項工作為設計師，合成基因組的完成奠定了基礎，以解決醫(yī)藥和工業(yè)中未滿足的需求，”紐約大學朗格尼系統(tǒng)遺傳學研究所所長Boeke說。“除了任何一種應用，這些論文都證實，新創(chuàng)建的系統(tǒng)和軟件可以通過重新編程活細胞中的染色體來回答有關遺傳機制性質的基本問題。”

2014年3月，Sc2.0成功組裝了第一個合成酵母染色體(合成染色體3或synIII)，其中包含272,871個堿基對，即構成DNA代碼的化學單元。新一輪論文由概述和五篇論文組成，描述了合成酵母染色體synII，synV，synVI，synX和synXII的首次組裝。第七篇論文首次展示了細胞核中合成染色體的3-D結構。

Sc2.0中開發(fā)的許多技術都是GP-write的基礎，GP-write是一項旨在在未來十年內合成完整的人類和植物染色體(基因組)的相關計劃。GP-write將于2017年5月9日至10日在紐約市舉行下一次會議; 請訪問此站點以獲取更多信息。

全球生產

為了開始合成酵母染色體，研究人員必須首先計劃數以千計的變化，其中一些變化使他們能夠在一種快速，高效的進化中繞著染色體移動。其他變化消除了過去努力不可能發(fā)揮作用的DNA代碼。然后可以篩選改變的酵母菌株的文庫以查看哪些具有最有用的特征。

通過編輯，團隊開始將經過編輯的合成DNA序列組裝成更大的塊，最終將其引入酵母細胞，細胞機器完成構建染色體。本輪論文中的一項重大創(chuàng)新涉及最后一步。

以前，研究人員需要完成一條染色體的構建才能開始研究下一條染色體。Boeke表示，順序要求是瓶頸，這會降低流程并增加成本。本輪文章介紹了幾種“合并”合成染色體組裝的努力。

全球各地的實驗室合成酵母菌株中的不同部分，然后交配(交叉)以快速產生繁殖酵母，不僅僅是整個合成染色體，而且在某些情況下有多個。具體來說，由紐約大學朗格納Boeke實驗室的博士后研究員Leslie Mitchell博士領導的一篇論文描述了含有三條合成染色體的菌株的構建。

“步驟可以在許多地方同時完成，然后在最后組裝，就像網絡筆記本電腦一樣，以創(chuàng)建一個全球超級計算機，”米切爾說。

在此過程中，全球團隊磨練了許多創(chuàng)新，并更好地了解酵母生物學。例如，清華大學的一個團隊領導了六個團隊建立了合成染色體XII(synXII)的團隊，然后將其組裝成一個長度超過一百萬個堿基對(一個兆堿基)的最終分子。迄今為止，這種最大的合成染色體仍然是構建人類基因組分子所需的1/3000，因此需要新的技術。

此外，實驗證明，酵母基因組可以在不殺死酵母的情況下發(fā)生劇烈變化，Boeke說。例如，酵母菌株在實驗中幸存下來，其中DNA編碼的部分從一條染色體移動到另一條染色體，或者甚至在酵母物種之間交換，幾乎沒有效果。遺傳上柔韌的(塑料)生物為未來應用可能需要的戲劇性工程提供了良好的平臺。

新出版的七個包括來自幾個國家的十所大學的作者，包括美國(紐約大學朗格尼，約翰霍普金斯大學)，中國(天津，清華)，法國(巴斯德研究所，索邦大學)和蘇格蘭(愛丁堡); 以及來自主要行業(yè)合作伙伴的作者：中國領先的基因組學組織BGI，美國/中國的Genescript和WuXi Qinglan Biotechnology，Inc。

在中國天津大學化學工程與技術學院的帶領下，描述SynV合成的論文值得注意，因為本科生是“建立一個基因組中國”的一部分，這是一個在美國在約翰霍普金斯大學，Boeke在來紐約朗格朗之前工作。這是新興的“染色體鑄造廠”全球網絡的一部分，Boeke說，“它正在與染色體一起構建下一代合成生物學家。”