科技

科学家开启“再造生命”新纪元:人工合成4条酵母染色体

人民网北京3月10日电(记者赵永新)大姑娘出嫁——头一回!3月10日出版的国际顶级学术期刊《科学》,以封面的形式同时刊发了中国科学家的4篇研究长文!

由天津大学、清华大学和华大基因分别完成的这4篇长文,介绍了真核生物基因组设计与化学合成方面的系列重大突破:完成了4条真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成——要知道,酿酒酵母总共有16条染色体,此前国际同行奋斗多年才发现了一条。

在合成染色体的过程中,他们还突破了生物合成方面的多项关键核心技术,比如:突破合成型基因组导致细胞失活的难题,设计构建染色体成环疾病模型,开发长染色体分级组装策略,证明人工设计合成的基因组具有可增加、可删减的灵活性,等等。这些技术将帮助在全世界的生命科学研究和相关实际应用中大显身手,其价值不可估量。

国内外同行指出,这是继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破,开启人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。

参与国际酿酒酵母基因组合成计划的中国科学家代表,自左至右依次为:李炳志、戴俊彪、杨焕明、元英进、沈玥。记者赵永新摄

人工合成酵母染色体,意义何在?

曾参与“人类基因组测序计划”的华大基因理事长杨焕明院士介绍说,合成生物学(Synthetic Biology)是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后,以基因组设计合成为标志的第三次生物技术革命。他指出,生物学界内最重要的分类依据,既不是植物和动物,也不是多细胞和单细胞生物,而是以原核生物和真核生物来区分。“细菌、病毒等原核生物的基因组相对简单,而动物、植物、真菌等等真核生物的基因(DNA)既丰富又复杂,通常会包含数亿至甚至数十亿碱基对信息。同时,作为遗传物质的DNA通常被分配到不同的染色体中,而这些染色体又深藏在细胞核的特定区域。所以,合成一个真核生物的基因组是一项非常艰巨的任务。但是,如果生物学真正做到引领技术革命,合成真核生物基因组技术必将发挥非常核心的作用。”

为完成设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组,国际科学界发起了酿酒酵母基因组合成计划(Sc2.0计划),这是合成基因组学(Synthetic genomics)研究的标志性国际合作项目。该项目由美国科学院院士杰夫·伯克发起,有美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作,试图重新设计并合成酿酒酵母的全部16条染色体(长约12Mb,1Mb是百万碱基对)。

天津大学化工学院教授元英进是最早参与该计划的中国科学家,此次在《科学》期刊上以通讯作者身份发表了2篇论文。他告诉记者,如同科学实验中经常使用的果蝇、斑马鱼,酿酒酵母是生物学研究中的“模式真核单细胞生物”。“如果说病毒基因组的合成开启了基因组化学合成研究,那么原核生物和真核生物基因组合成研究的不断突破,则初步实现了化学全合成基因组对单细胞原核生物和真核生物的生命调控。“酿酒酵母是第一个被全基因组测序的真核生物,大尺度的设计和重建酵母基因组是对目前酵母领域知识贮备的真实性、完整性和准确性的一个直接考验。化学合成酵母,一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题,另一方面可以通过基因组重排系统,使酵母实现快速进化,得到在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。”

我国科学家在合成酵母中发现了什么?

2014年,Sc2.0已创建了一个单一的人工酵母染色体。此次国际合作,中外科学家们共完成了5条染色体的化学合成,其中中国科学家完成了4条,占完成数量的66.7%,把Sc2.0计划向前推进了一大步。

其中,元英进带领的天津大学团队完成了5号、10号(synV、synX)染色体的化学合成,并开发了高效的染色体缺陷靶点定位技术和染色体点突变修复技术;戴俊彪研究员带领清华大学团队完成了当前已合成染色体中最长的12号染色体(synXII)的全合成;深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了2号染色体(synII)的合成及深度基因型-表型关联分析。

“人工合成基因组的尺度和复杂度的不断提升,向科学界对生物体运作方式以及生命本质的认知提出了越来越大的挑战。在基因组尺度的DNA合成中面临的一个巨大挑战,是定位人工基因组中影响细胞长势的序列,即缺陷(bug)。常规的排除缺陷(debugging)的方法有三种,都有费时耗力、效率不高的缺点。”元英进团队成员、“10号染色体”文章第一作者、天津大学博士生吴毅介绍说:在合成长达770kb(kb:千碱基对)的酿酒酵母10号染色体的过程中,我们创建了基因组缺陷靶点快速定位与精确修复方法,解决了全化学合成基因组导致细胞失活的难题。我们所得到的全合成酵母染色体具备完整的生命活性,能够成功调控酵母的生长,并具备各种环境响应能力。此方法在化学合成基因组研究中具有普适性,并且作为一种新颖的表型和基因组关联性分析的策略,有望显著提升我们对基因组结构和功能的认知。”

“5号染色体”文章第一作者、天津大学博士生谢泽雄说,在全面推进Sc2.0计划的过程中,我们建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术和DNA大片段重复修复技术,解决了超长人工DNA片段的精准合成难题。同时,我们首次实现了真核人工基因组化学合成序列与设计序列的完全匹配,系统性支撑与评价了当前真核生物的设计原则。该技术的突破为研究人工设计基因组的重新设计、功能验证与技术改进奠定了基础。利用化学合成的酵母5号染色体定制化建立了一组环形染色体模型,通过人工基因组中设计的特异性水印标签实现对细胞分裂过程中染色体变化的追踪和分析,为研究当前无法治疗的环形染色体疾病、癌症和衰老等发生机理和潜在治疗手段提供了了研究模型。此外,我们发展了多级模块化和标准化基因组合成方法,创建了一步法大片段组装技术和并行式染色体合成策略,实现了由小分子核苷酸到活体真核染色体的定制精准合成。”

清华大学的戴俊彪团队,则设计合成了12号染色体。在研究中,他们开发了长染色体分级组装的策略,即:首先通过大片段合成序列,在6个菌株中分别完成了对染色体不同区域内源DNA的逐步替换;然后利用酵母减数分裂过程中同源重组的特性,将多个菌株中的合成序列进行合并,获得完整的合成型染色体。针对12号染色体上存在的高度重复的核糖体RNA编码基因簇进行删除及工程化改造,并利用修改后的重复单元在基因组多个位点重建了核糖体RNA编码基因簇。“该工作奠定了未来对其他超大、结构超复杂的基因组进行设计与编写的基础,同时也证明了酵母基因组中rDNA(核糖体DNA)区域及其他序列均具有惊人的灵活度与可塑性。”戴俊彪表示。

深圳华大基因研究院与英国爱丁堡大学共同完成2号染色体的从头设计与全合成(长770 Kb),合成酵母菌株展现出与野生型高度相似的生命活性。该论文的第一作者、深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沈玥介绍说,科研人员使用“贯穿组学(Trans-Omics)”方法,从表型、基因组、转录组、蛋白质组和代谢组五个层次系统地进行基因型-表现型的深度关联分析,证明了人工设计合成的酿酒酵母基因组可增加、可删减的高度灵活性。”

令人欣喜的是,华大基因与爱丁堡大学合成的酵母菌株,不仅与野生型有高度相似的生命活性,而且对环境的适应性大大加强,其进化速度呈几何级提高。

人工合成4条酵母染色体,价值何在?

“2000年公布的人类基因组测序,中国只承担了百分之一的工作,这次我们完成了酿酒酵母染色体合成的四分之一,可以说是中国在合成生物学领域取得的突破性成果,进一步奠定了我国在这一领域的国际地位。”杨焕明说,“两相比较,不难看出我们在生命科学研究领域的巨大进步。在酿酒酵母设计与合成研究中,我们已由‘跟跑’转为‘并跑’,今后‘领跑’也不是不可能。”

Sc2.0计划国际化的高效运作模式也给国际性大型旗舰项目提供了很好的参考模板,该计划的实施是基因组编写计划的重要基础。元英进认为,多国组成大型国际联合团队使突破重大科学问题和技术难题具有必然性,中国的研究者在本次国际计划中发挥了举足轻重的作用。在这个过程中,我们培养了大批具有国际视野的拔尖创新青年人才,中国的基因组设计合成能力也提升到了前所未有的高度。此次国际合作取得的巨大成功将鼓励更多的中国的学者更积极地参与到大型国际合作项目中去。

据介绍,在历届合成基因组年度会议上,天津大学科研团队均向国际合作联盟介绍了自己的项目研究进展。2016年7月,第五届Sc2.0和合成基因组会议在英国爱丁堡举行,吴毅和谢泽雄介绍了天津大学化学全合成酿酒酵母染色体的最新研究进展。同时,天津大学合成生物学团队4名成员积极参与2016年5月举行的基因组合成闭门会议,加入了“世界合成生物学顶级俱乐部”。

据戴俊彪介绍,我国科学家取得的上述成果,不仅对于深化生命认知、推进相关研究意义重大,而且也将在实际应用中大显身手。此前,基因修饰的酵母已经用来制作疫苗、药物和特定的化合物,这些新成果的发表意味着化学物质设计定制酵母生命体成为可能,产物范围也将被拓展。随着人工合成酵母的推广应用,必将显著提高其在工业生产、药物制造等方面的效率与质量。

“这背后是中国的科技工作者‘咬定青山不放松,立根原在破岩中’的不懈探索精神。”天津大学青年教师、国家优青获得者、此次2篇学术论文的共同第一作者李炳志表示,“科技工作者要耐得住寂寞,坐得住冷板凳,用‘十年磨一剑’的劲头来治学。谢泽雄和吴毅多年来没有发表过任何相关文章,这是他们自本科至今发表的第一篇研究论文。”

据悉,上述团队正在此前成果的基础上乘胜前进,有望在不久的将来给人类更多惊喜。

原标题:人工合成4条酵母染色体 我国科学家开启“再造生命”新纪元

【责任编辑:王迪】

数字大物业 城乡新动能│厦门翔安“智理”方法论 数据赋能大物业重塑城乡未来

在厦门市翔安区,基层治理的日常正在被一系列智能化场景所改变:堆积如山的海蛎壳在智能系统的精准调度下,变废为宝转化为绿色的环保材料;AI数字社工化身为社区“新成员”,以数百倍于人工的效率完成和各类任务,让社区工作者有更多时间走进群众;无人机与智能摄像头织就全域感知网络,赋予城乡管理“千里眼”

数字化转型有了“导航图”!14个行业可“按图索骥”

曾经“摸黑走路”的制造业数字化转型,如今有了清晰的“施工图”。在近日沈阳举行的2025年两化融合暨数字化转型大会上,一位与会企业代表这样感慨。此次大会上,工业和信息化部正式发布《场景化、图谱化推进重点行业数字化转型的参考指引(2025版)》,为钢铁、石化等14个重点行业绘制了企业数字化转型“场景导航图”。

河北空天控股公司多项创新技术成果亮相 “三年上、五年强”科技成果展

12月6日至7日,河北省国资委监管企业研发投入“三年上、五年强”专项行动科技成果展在河北交投数智产业园盛大举办。河北空天控股公司作为河北交投集团空天信息领域科技创新核心力量,携系列北斗高精尖装备、省级低空交通监管平台、“北斗+低空”危化品监管系统等多项拥有自主知识产权与自主品牌的创新技术成果参展,通过图文解说、音频演示、动态视频等多元化形式,立体化呈现公司在空天信息领域

河北国资成果展:科技赋能,创新成果“多点开花”

科技赋能国企,创新引领发展。12月6日,河北省国资委监管企业研发投入“三年上、五年强”专项行动科技成果展在河北正定新区未来电子信息与装备制造产业基地成功启动,展期2天。成果展期间将举办专家主旨报告会、青年科技人才分享会、专利转化对接会、京津冀三地国资委联合发布《京津冀国有企业青年科技创新倡议书》等系列活动。现场还设有招商洽谈区、成果路演区,旨在打通创新成果与产业需求、金融资本对接的“最

从云计算到星计算:算力革命的技术演进与产业变革​

随着人工智能技术的快速发展和全球算力需求的爆发式增长,传统地面数据中心面临着前所未有的挑战。据统计,到 2026 年,全球数据中心的总用电量或将超过 1000 太瓦时,堪比日本全国的用电量。在能源消耗、土地资源和散热成本的多重压力下,算力基础设施正迎来从地面集中式向天地一体化分布式的范式跃迁。星计算作为这一变革的核心,通过将高性能计算、AI 与边缘计算集成于天基平台,构建分布式卫星星

京广铁路长台关站完成信号系统升级 “智慧机房”助力路网安全提效

日前,经过230分钟紧张有序的施工作业,京广铁路信阳段关键节点站 —— 长台关站计算机联锁设备技术改造工程顺利完工。升级后的新型信号系统与创新建设的“智慧机房”,为这条贯通南北的运输大动脉筑牢安全屏障,进一步提升区域路网运输效能。

智能模型与手术机器人协同,AI医疗开启精准诊疗新时代

医疗大模型具备“专家级”推理能力,手术机器人实现毫米级精细操作,人工智能正重塑从看病到手术的每一个医疗环节。在宁波大学附属第一医院方桥院区,70岁的王阿姨在AI数字人引导下精准挂号,就诊后收到一份AI生成的个性化复查建议。诊室里,医生屏幕已由AI助手自动生成初步病历;手术室内,骨科机器人正辅助医生进行毫米级精准操作。这些场景勾勒出“未来医院”的实景图。智能诊断模型将病变

瞄准九大前沿领域 工信部启动国家新兴产业发展示范基地创建

到2035年培育100个示范园区和1000家示范企业,这一长期计划为中国新兴产业绘制了清晰的发展路线图。工业和信息化部近日正式印发通知,启动国家新兴产业发展示范基地创建工作。该举措旨在面向2035年和“十五五”时期国家发展战略,聚焦新兴产业重点领域,遴选一批具有国内领先水平的产业园区和企业。示范基地创建瞄准新一轮科技革命和产业变革前沿,聚焦新一代信息技术、新能源、新材料、

中国启动“燃烧等离子体”国际科学计划,携手全球点燃“人造太阳”

在安徽合肥未来大科学城,一座名为BEST的紧凑型聚变能实验装置主机大厅内,全球能源未来的一页新篇章正悄然开启。11月24日上午,中国科学院在安徽合肥未来大科学城的紧凑型聚变能实验装置(BEST)主机大厅正式启动“燃烧等离子体”国际科学计划,并首次面向国际聚变界发布BEST研究计划。来自法国、英国、德国、意大利等十余个国家的聚变科学家齐聚合肥,共同签署了《合肥聚变宣言》,

数智赋能解锁文脉守护新范式“今古集”亮相长三角文博会获行业聚焦

11月20日,“今古集:数智赋能·守护文明”2025年社会教育活动在国家会展中心(上海)开幕,活动由中国文物保护基金会科技保护专项基金主办。中国文物保护基金会秘书长陶诚,上海市委宣传部二级巡视员、市文创办专职副主任黄建富,中国科学院院士、同济大学建筑与城市规划学院教授常青等出席活动并致辞,来自文博机构、高等院校、科技企业等众多专家学者与行业代表参加活动。

长三角织就算力“一张网”,数智加速度破局数字时代

一键下单,算力“网购”,87.3EFlops庞大算力资源在长三角地区正像水电一样便捷可及,一场区域一体化的数字革命悄然到来。江苏省一体化算力调度监测平台于11月13日在南京正式上线,这是全国首个省市一体化算力调度监测平台。该平台已监测全省在用数据中心282个,总算力规模达87.3EFlops,其中智能算力占比约70%,成为长三角数字经济的“主力能源”。与此同时,在11月

国家加速制造业升级:到2027年基本建立现代化中试平台体系

工信部最新部署,到2027年底,我国将基本建立现代化中试平台体系,初步形成多主体参与、多领域布局的全国制造业中试服务网络。工业和信息化部办公厅日前印发《关于进一步加快制造业中试平台体系化布局和高水平建设的通知》,明确提出到2027年底,高水平中试平台力量进一步壮大,现代化中试平台体系基本建立,多主体参与、多领域布局、多层次服务的全国制造业中试服务网络初步形成。中试

788 EFLOPS 领跑全球!我国智能算力撑起 AI 创新 “加速度”

截至 2025 年 6 月底,我国智能算力规模达 788 百亿亿次 / 秒(EFLOPS),相当于全球 80 亿人用普通计算器连续运算 4000 年的总量。这一来自工业和信息化部的最新数据,与 1085 万标准机架、1680 艾字节存力共同印证:我国算力基础设施规模已稳居全球前列,正成为人工智能创新的核心引擎。千行百业 “算力赋能” 成效凸显在内蒙古伊利智慧牧场,计算机

中国6G专利全球第一,2025年互联网蓝皮书揭示数字中国新图景

一份备受全球互联网行业关注的年度发展成绩单,在乌镇峰会上如期发布。11月8日,在2025年世界互联网大会乌镇峰会上,由中国网络空间研究院牵头编撰的《中国互联网发展报告2025》和《世界互联网发展报告2025》蓝皮书正式发布。这两份已连续九年面向全球发布的权威报告,全景式展现了过去一年中国和世界互联网发展的新进展与新成就。报告中的一系列数据令人振奋:中国6G专利申请

2025科技创新与产业创新深度融合大会在长沙成功举办

11月1日,由中南大学主办的2025科技创新与产业创新深度融合大会暨中南大学校企联理事会会议在长沙开幕。大会深入贯彻党的二十届四中全会精神,落实“推动科技创新与产业创新深度融合,引领发展新质生产力”的战略部署,旨在充分发挥中南大学教育、科技、人才“三位一体”优势,搭建一个汇聚校友力量、链接产业需求与大学科创资源的高能级平台。

科技赋能健康 创新引领未来 浙江省盐业健康科技研究院挂牌成立

聚焦盐、泛盐产品、泛食品、大健康等领域,致力于开展产品研发、技术创新、产业融合、成果转化、行业研究和人才培养等业务,为浙盐集团转型发展和拓展第二增长曲线提升科研创新支撑,为助力中国盐行业高质量发展注入浙盐新动能。
返回
顶部