天津大學研究成果填補基因組結構變異的技術空白
昨日，天津大學元英進教授帶領的合成生物學研究團隊在《自然通訊》期刊同期發表《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等一系列研究成果。該成果填補了基因組結構變異的技術空白，提高了細胞工廠的生產效率，加速了微生物的進化和生物學知識的發現。這是繼人工合成酵母染色體打破非生命物質和生命物質界限后，中國科學家在“設計生命、再造生命、重塑生命”進程中的又一重大技術進展，開啟了合成生物學研究中基因組重排這一全新研究領域。
在生命科學領域，遺傳變異是生物進化的源泉，促使生物在億萬年間可以不斷適應環境、不斷進化。科學家們也開發出多種遺傳變異技術，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變異技術大多只針對基因層面進行小規模改造，在更加復雜的基因組結構變異層面的人工構建技術仍具有挑戰。
天津大學科研團隊正是瞄準這一難題，在去年報道的合成酵母染色體的基礎上，研究出能夠精準控制基因重排的方法，使作為研究對象的微生物——酵母菌，在有限時間內產生幾何級增長的基因組變異，驅動其快速進化。他們還開創多種方法使變異后的酵母菌株具備穩定的生物活性，并作為細胞工廠來高效率產出β-胡蘿卜素。
精確控制基因組重排原理示意圖
釀酒酵母是生物學研究中的模式真核單細胞生物。論文《精確控制合成型單倍體和二倍體酵母基因組重排》通訊作者元英進教授表示,“化學合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的問題，另一方面可以通過基因組重排系統，實現快速進化，得到在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域有重要應用潛力的菌株。”
“我們構建了一套DNA體外反應體系，產生了含有基因刪除、反轉和復制的結構變異文庫，并且使用測序技術表征了結構變異文庫的多樣性。該體外DNA重排技術提供了一種獨特且高效的構建DNA文庫方法，有助于開展便捷的表型和結構變異基因型關聯分析，對結構變異的基礎研究與代謝通路的工程優化具有重要意義。”天津大學合成生物學團隊吳毅介紹到，該項成果有望在DNA文庫構建和細胞代謝工程等領域得到廣泛應用。
據悉，合成生物學(Synthetic Biology)是繼“DNA雙螺旋發現”和“人類基因組測序計劃”之后，以基因組設計合成為標志的第三次生物技術革命。酵母基因組合成計劃(Sc2.0計劃)是合成基因組學(Synthetic genomics)研究的標志性國際合作項目。該項目由美國科學院院士杰夫·伯克發起，有美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構參與并分工協作，致力于設計和化學再造完整的釀酒酵母基因組。天津大學元英進教授是該計劃的國際化推動者及中國最早參與者。此前，元英進教授牽頭負責的“酵母長染色體的精準定制合成”研究成果入選2017年度中國科學十大進展。(趙習鈞)
