設計和再造生命， 這一科幻片中的場景或許不久將成為現實。
近日， “人工合成酵母基因組計畫(Sc2.0)”在國際合作組的通力協作下取得了突破性進展：繼2014年美國科學家人工合成酵母3號染色體後， 5條酵母人工染色體合成也被攻克， 中國科學家完成了其中的4條。 該重量級成果於3月10日發表在權威學術期刊《科學》上。 國內外同行指出， 這是繼合成原核生物基因組之後， 又一里程碑式突破， 有望開啟人類設計生命、再造生命和重塑生命的新紀元。
人工合成酵母染色體最大的技術難點是什麼?中國團隊有哪些科學突破?這項里程碑式的成果會帶來怎樣廣泛而深遠的影響?是否也將帶來生物倫理和生物安全的挑戰?帶著諸多待解之惑，
天津大學教授元英進
記者：作為Sc2.0計畫的國際化推動者， 您是如何參與到這個計畫中來的?為何會選用酵母基因進行重新設計並化學再造?
元英進：傑夫•博克是酵母的遺傳學專家， 他發現合成生物學是一種趨勢， 想把合成生物學的理念用到酵母上面， 但發現做的時候有很多困難。 剛好那個時候我有機會去他實驗室， 經過一整天的詳細瞭解和後續的深入思考與評估， 我發現這個工作很具有挑戰性， 但一旦做完後價值很大。 因為在這之前， 全世界科學家幹過一些事， 比如克萊格·文特爾完成過原核生物“辛西婭”基因組的合成。 “辛西婭”只有一條環形的染色體， 而酵母有16條線性染色體。 酵母屬於真核生物中的模式生物，
生物分為原核生物和真核生物兩類。
在日常生活中， 我們做饅頭、做麵包、釀酒都會用到酵母。 酵母還能用於生產抗體、蛋白藥物、小分子藥物以及生物燃油。 一旦完成酵母體系的人工再造， 我們改造自然時可用的工具就大大增強了。 我們設計酵母時有幾個原則：讓基因組具有更好的穩定性、更好的操作柔性和可變性。 當作為生產目的時， 我們讓其內部結構發生改變， 可以有利於我們的生產。 在一定的條件下， 可以讓這種酵母菌按照人為預想的目的提升性能。 同時， 酵母有三分之一的基因和人類基因有同源性， 酵母體系一旦再造， 對整個人類疾病的研究也是一個利好消息。
記者：2014年， 傑夫·博克花7年時間完成單細胞真核酵母的第一條人工合成染色體。
元英進：我們做的酵母是真核生物， 之前沒有人做過真核生物基因組的人工合成。 我們需要從基因組設計開始， 把它化學再造構建起來， 還要檢驗基因組設計原則， 發現、修正設計缺陷並進行再設計。 最困難的一點是， 重新設計之後， 染色體片段需要從體外合成， 再到體內替換天然的酵母染色體。 由於人工合成的序列與天然序列相比有很多改變， 某些序列的改變可能會導致細胞失活， 甚至死亡， 多數時候是有缺陷， 例如長的慢， 或細胞大小不一， 總之不是健康的細胞。 於是最大的問題是，如何快速鎖定並且修復這些合成染色體中的缺陷。
記者：從2014年博克完成的第一條人工合成酵母染色體，到您帶領團隊完成的5號、10號染色體，在技術上有了哪些突破?
元英進：在做5號染色體的時候，我們萌發了一個想法，合成一條“完美”的染色體，把所有可能出現的錯誤和堿基上的變化都修復到和設計序列完全一致。這在投稿的時候沒有做到，在投稿後歷時5個月，終於做出了一條“完美”染色體。同時，我們將基因編輯技術與人工合成染色體相結合，為該研究領域提供了全新的研究角度。
此外，人類染色體成環，會導致很多疾病。我們拿5號做出一個環形的染色體，構建了研究染色體成環而導致發育異常疾病的研究模型。
在做10號的時候，我們創建了一種高效定位缺陷靶點的方法，即“混菌PCR標籤定位法”。在化學再造基因組中，容易發生合成型DNA導致細胞生長缺陷，通過我們開發的此方法，可以迅速知道導致生長缺陷的靶點在哪裡，進而可以迅速的修復。我們在聯盟中共用了這個方法，對大家也很有幫助。
元英進團隊
記者：《科學》雜誌中國區負責人相豔評價該成果為里程碑式的成就。它具有怎樣的重大意義?將為人們的生活帶來怎樣的改變?
元英進：《科學》本身通知了上萬個記者報導我們的研究，也側面反映出雜誌對這項工作的突破性非常肯定。我們突破了真核生物染色體構建的難題，為國際關注的超大基因組的合成創造了條件，比方說植物和動物的基因組。此外，真核生物基因組的設計合成也可以為消除器官移植的排異反應、衰老機制解析、複雜疾病治療等提供新的研究方案。說這個工作是里程碑，不為過，甚至意義更大，它打開了真核生物基因組合成再造的大門。
合成生物學這個領域十分重要，具有顛覆性的特徵。從生產過程來說，過去需要種植植物以萃取含量很低的有效成分，例如青蒿素。現在人工合成酵母，就可以生成青蒿素了，於是不用大規模種植植物用於提取微量成分，減少了對環境的污染破壞，顛覆了原有生產工藝。
對產業發展來說，合成生物學具有革命性的特點，相關產業會進入指數級的增長。如果國家不進行超前佈局的話，未來可能會在新一輪技術革命中吃虧。未來，生物化在整個社會的很多方面都是一個趨勢。
記者：人工合成釀酒酵母基因染色體，是否也有助於解決能源短缺、環境污染等問題?
元英進：是的，可以用人工合成細胞構建一種體系，將污染物和廢物資源化。例如，借助太陽光把二氧化碳轉成化學品。這些方向都有合成生物學專家在做，但要產業化還需要一些技術突破。
用微生物完成各類工作的大部分技術障礙將在大致5年內都能突破，例如塑膠的降解，石油的第三次開採。若真有人想分解塑膠，可以從頭設計，構建人工細胞或者細胞群體，估計用5年可以設計構建的理論基礎和實際可以完成。目前做這些研究，需要很多人合作做，未來可能是電腦輔助設計，再拿自動化的機器人做構建。
更長遠的目標可以做更複雜的生物體系的重構，比如涉及到怎樣更好地利用光合系統的葉綠體，以及其它的能量轉換裝置，如線粒體等。另外，像人類的癌症疾病，可以用合成生物學嘗試解決，這可能需要突破一些核心技術，比如超大基因的設計和再造。我們花三到五年可以判斷這項研究的前景，徹底解決可能需要10年的時間。
記者：這項技術是否也會帶來生物倫理和生物安全的挑戰?
元英進：任何的技術進步都是雙刃劍，合成生物學也是這樣。我們做之前都要考慮清楚對人類帶來的福祉和危害是什麼。目前來說，合成生物技術做微生物比較多，主要是做大腸桿菌和酵母等模式生物。這些都是人類瞭解比較深入的微生物。如果酵母菌不引入額外有害的基因，酵母本身的基因的資訊是比較清楚的。目前我們只是對酵母菌自身的基因組做了一些變動，但是基因的序列維持不變。
在早期我們進行了大量的生物安全方面的討論。我們構成的這個聯盟也開了幾次研討會，每次都會專門討論生物倫理和生物安全問題。通過討論我們不斷修訂聯盟成員共同遵守的生物安全和生物倫理的規範。做其他的合成生物學研究也會邊做技術突破本身，邊進行生物安全生物倫理的討論。我們需要有甄別和預警能力的技術的出現。
記者：接下來，您的專案組有哪些進一步的研究計畫?
元英進：我們正在研究化學再造之後的酵母怎樣為人類服務。比如很多藥品怎樣生產效率更高，怎樣生產更加環保節能。我們做了很多工作，也頗有成效，在接下來的幾個月裡應該會有一些新的研究成果投稿。
(作者 蒲瀟)
於是最大的問題是，如何快速鎖定並且修復這些合成染色體中的缺陷。記者：從2014年博克完成的第一條人工合成酵母染色體，到您帶領團隊完成的5號、10號染色體，在技術上有了哪些突破?
元英進：在做5號染色體的時候，我們萌發了一個想法，合成一條“完美”的染色體，把所有可能出現的錯誤和堿基上的變化都修復到和設計序列完全一致。這在投稿的時候沒有做到，在投稿後歷時5個月，終於做出了一條“完美”染色體。同時，我們將基因編輯技術與人工合成染色體相結合，為該研究領域提供了全新的研究角度。
此外，人類染色體成環，會導致很多疾病。我們拿5號做出一個環形的染色體，構建了研究染色體成環而導致發育異常疾病的研究模型。
在做10號的時候，我們創建了一種高效定位缺陷靶點的方法，即“混菌PCR標籤定位法”。在化學再造基因組中，容易發生合成型DNA導致細胞生長缺陷，通過我們開發的此方法，可以迅速知道導致生長缺陷的靶點在哪裡，進而可以迅速的修復。我們在聯盟中共用了這個方法，對大家也很有幫助。
元英進團隊
記者：《科學》雜誌中國區負責人相豔評價該成果為里程碑式的成就。它具有怎樣的重大意義?將為人們的生活帶來怎樣的改變?
元英進：《科學》本身通知了上萬個記者報導我們的研究，也側面反映出雜誌對這項工作的突破性非常肯定。我們突破了真核生物染色體構建的難題，為國際關注的超大基因組的合成創造了條件，比方說植物和動物的基因組。此外，真核生物基因組的設計合成也可以為消除器官移植的排異反應、衰老機制解析、複雜疾病治療等提供新的研究方案。說這個工作是里程碑，不為過，甚至意義更大，它打開了真核生物基因組合成再造的大門。
合成生物學這個領域十分重要，具有顛覆性的特徵。從生產過程來說，過去需要種植植物以萃取含量很低的有效成分，例如青蒿素。現在人工合成酵母，就可以生成青蒿素了，於是不用大規模種植植物用於提取微量成分，減少了對環境的污染破壞，顛覆了原有生產工藝。
對產業發展來說，合成生物學具有革命性的特點，相關產業會進入指數級的增長。如果國家不進行超前佈局的話，未來可能會在新一輪技術革命中吃虧。未來，生物化在整個社會的很多方面都是一個趨勢。
記者：人工合成釀酒酵母基因染色體，是否也有助於解決能源短缺、環境污染等問題?
元英進：是的，可以用人工合成細胞構建一種體系，將污染物和廢物資源化。例如，借助太陽光把二氧化碳轉成化學品。這些方向都有合成生物學專家在做，但要產業化還需要一些技術突破。
用微生物完成各類工作的大部分技術障礙將在大致5年內都能突破，例如塑膠的降解，石油的第三次開採。若真有人想分解塑膠，可以從頭設計，構建人工細胞或者細胞群體，估計用5年可以設計構建的理論基礎和實際可以完成。目前做這些研究，需要很多人合作做，未來可能是電腦輔助設計，再拿自動化的機器人做構建。
更長遠的目標可以做更複雜的生物體系的重構，比如涉及到怎樣更好地利用光合系統的葉綠體，以及其它的能量轉換裝置，如線粒體等。另外，像人類的癌症疾病，可以用合成生物學嘗試解決，這可能需要突破一些核心技術，比如超大基因的設計和再造。我們花三到五年可以判斷這項研究的前景，徹底解決可能需要10年的時間。
記者：這項技術是否也會帶來生物倫理和生物安全的挑戰?
元英進：任何的技術進步都是雙刃劍，合成生物學也是這樣。我們做之前都要考慮清楚對人類帶來的福祉和危害是什麼。目前來說，合成生物技術做微生物比較多，主要是做大腸桿菌和酵母等模式生物。這些都是人類瞭解比較深入的微生物。如果酵母菌不引入額外有害的基因，酵母本身的基因的資訊是比較清楚的。目前我們只是對酵母菌自身的基因組做了一些變動，但是基因的序列維持不變。
在早期我們進行了大量的生物安全方面的討論。我們構成的這個聯盟也開了幾次研討會，每次都會專門討論生物倫理和生物安全問題。通過討論我們不斷修訂聯盟成員共同遵守的生物安全和生物倫理的規範。做其他的合成生物學研究也會邊做技術突破本身，邊進行生物安全生物倫理的討論。我們需要有甄別和預警能力的技術的出現。
記者：接下來，您的專案組有哪些進一步的研究計畫?
元英進：我們正在研究化學再造之後的酵母怎樣為人類服務。比如很多藥品怎樣生產效率更高，怎樣生產更加環保節能。我們做了很多工作，也頗有成效，在接下來的幾個月裡應該會有一些新的研究成果投稿。
(作者 蒲瀟)