天津大學(xué)研究成果填補(bǔ)基因組結(jié)構(gòu)變異的技術(shù)空白
昨日，天津大學(xué)元英進(jìn)教授帶領(lǐng)的合成生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》期刊同期發(fā)表《精確控制合成型單倍體和二倍體酵母基因組重排》《體外DNA重排》《雜合二倍體與跨物種基因組重排》三篇研究長文，文中介紹了精確控制基因組重排技術(shù)等一系列研究成果。該成果填補(bǔ)了基因組結(jié)構(gòu)變異的技術(shù)空白，提高了細(xì)胞工廠的生產(chǎn)效率，加速了微生物的進(jìn)化和生物學(xué)知識的發(fā)現(xiàn)。這是繼人工合成酵母染色體打破非生命物質(zhì)和生命物質(zhì)界限后，中國科學(xué)家在“設(shè)計(jì)生命、再造生命、重塑生命”進(jìn)程中的又一重大技術(shù)進(jìn)展，開啟了合成生物學(xué)研究中基因組重排這一全新研究領(lǐng)域。
在生命科學(xué)領(lǐng)域，遺傳變異是生物進(jìn)化的源泉，促使生物在億萬年間可以不斷適應(yīng)環(huán)境、不斷進(jìn)化。科學(xué)家們也開發(fā)出多種遺傳變異技術(shù)，來獲取多樣的DNA，從而為獲取多樣的生物特征提供原料。然而以前的DNA變異技術(shù)大多只針對基因?qū)用孢M(jìn)行小規(guī)模改造，在更加復(fù)雜的基因組結(jié)構(gòu)變異層面的人工構(gòu)建技術(shù)仍具有挑戰(zhàn)。
天津大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)正是瞄準(zhǔn)這一難題，在去年報(bào)道的合成酵母染色體的基礎(chǔ)上，研究出能夠精準(zhǔn)控制基因重排的方法，使作為研究對象的微生物——酵母菌，在有限時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生幾何級增長的基因組變異，驅(qū)動其快速進(jìn)化。他們還開創(chuàng)多種方法使變異后的酵母菌株具備穩(wěn)定的生物活性，并作為細(xì)胞工廠來高效率產(chǎn)出β-胡蘿卜素。
精確控制基因組重排原理示意圖
釀酒酵母是生物學(xué)研究中的模式真核單細(xì)胞生物。論文《精確控制合成型單倍體和二倍體酵母基因組重排》通訊作者元英進(jìn)教授表示,“化學(xué)合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎(chǔ)生物學(xué)的問題，另一方面可以通過基因組重排系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)化，得到在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用潛力的菌株。”
“我們構(gòu)建了一套DNA體外反應(yīng)體系，產(chǎn)生了含有基因刪除、反轉(zhuǎn)和復(fù)制的結(jié)構(gòu)變異文庫，并且使用測序技術(shù)表征了結(jié)構(gòu)變異文庫的多樣性。該體外DNA重排技術(shù)提供了一種獨(dú)特且高效的構(gòu)建DNA文庫方法，有助于開展便捷的表型和結(jié)構(gòu)變異基因型關(guān)聯(lián)分析，對結(jié)構(gòu)變異的基礎(chǔ)研究與代謝通路的工程優(yōu)化具有重要意義。”天津大學(xué)合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)吳毅介紹到，該項(xiàng)成果有望在DNA文庫構(gòu)建和細(xì)胞代謝工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
據(jù)悉，合成生物學(xué)(Synthetic Biology)是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組測序計(jì)劃”之后，以基因組設(shè)計(jì)合成為標(biāo)志的第三次生物技術(shù)革命。酵母基因組合成計(jì)劃(Sc2.0計(jì)劃)是合成基因組學(xué)(Synthetic genomics)研究的標(biāo)志性國際合作項(xiàng)目。該項(xiàng)目由美國科學(xué)院院士杰夫·伯克發(fā)起，有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機(jī)構(gòu)參與并分工協(xié)作，致力于設(shè)計(jì)和化學(xué)再造完整的釀酒酵母基因組。天津大學(xué)元英進(jìn)教授是該計(jì)劃的國際化推動者及中國最早參與者。此前，元英進(jìn)教授牽頭負(fù)責(zé)的“酵母長染色體的精準(zhǔn)定制合成”研究成果入選2017年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。(趙習(xí)鈞)
