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《科学》:中国科学家开启再造生命新纪元—新

发布时间:2017-12-04 阅读:

  “科学”:中国科学家开启了重建生活的新纪元 - 新闻 - 科学网

  人民网北京3月10日电(记者赵永新)大女孩结婚第一次回来!3月10日发表在国际顶级学术期刊“科学”上,同时刊登了四位中国科学家长篇文章的封面! (论文一,作文二,作文三,作文四)

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  由天津大学,清华大学和华大基因分别完成的四篇长篇论文分别在真核生物基因组设计和化学合成方面展开了一系列重大突破:四种真核生物酿酒酵母染色体的从头设计和化学合成知道那里共有16个酵母菌染色体,经过多年国际同仁的努力找到了一个斗争。

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  它们在染色体合成过程中也突破了生物合成中的一些关键核心技术,如破坏合成基因组导致细胞失活的挑战,染色体环形成疾病模型的设计,染色体分级组装策略,人工设计的合成基因组具有增加,减少和更多的灵活性。这些技术将有助于在世界各地的生命科学研究和相关的实际应用中发挥作用,其价值是不可估量的。

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  国内外同行指出,这是原核生物染色体合成后又一个里程碑式的突破,开创了人体设计,生命重建和生命重塑的新时代。

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  参加国际酿酒酵母基因组合成项目的中国科学家的代表是李秉志,戴俊彪,杨焕明,袁英金,沉悦等从左到右。记者赵永新摄

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  合成酵母染色体是什么意思?

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  参与人类基因组测序项目的华大基因董事长杨焕明院士表示,合成生物学是DNA双螺旋发现和人类基因组测序项目之后基因组设计合成的第三次生物技术革命。他指出,生物学中最重要的分类学基础既不是植物也不是动物,也不是多细胞和单细胞生物体,而是原核生物和真核生物。细菌,病毒和其他原核生物的基因组相对简单,而动物,植物,真菌等的真核基因(DNA)既丰富又复杂,通常含有数亿甚至数十亿的碱基对信息。同时,作为遗传物质的DNA通常被分配到不同的染色体,而这些染色体又被隐藏在细胞核的特定区域中。因此,真核生物基因组的合成是一项非常困难的任务。但是,如果生物真正引领技术革命,合成真核基因组技术将起到非常核心的作用。

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  为了完成酿酒酵母全基因组的设计和化学重构,国际科学界已经启动了酿酒酵母基因组合成项目(Sc2.0程序),这是一项具有里程碑意义的合成基因组学研究的国际合作项目。该项目由美国科学院院士杰弗里·伯克发起,涉及美国,中国,英国,法国,澳大利亚和新加坡等地的许多研究机构,涉及劳动分工。它试图重新设计和合成酿酒酵母的全部16条染色体(约12 Mb长,1Mb是百万碱基对)。

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  天津大学化学工程学院教授袁英金是第一位参加该项目的中国科学家,他在“科学”杂志上发表了两篇论文,他告诉记者,像果蝇,斑马鱼,经常用于科学实验的酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是生物学研究中真核生物单细胞生物的模型,如果病毒基因组的合成开启了基因组化学合成的研究,那么基因组合成研究的不断突破原核生物和真核生物已初步实现了化学合成基因组对单细胞原核生物和真核生物的调控,酿酒酵母是全基因组测序的第一个真核生物,酵母基因组的大规模设计和重构是对真实性,完整性和准确性的现有知识在酵母领域。化学合成酵母,在上另一方面通过基因组重排系统,酵母的快速进化,获得在医学,能源,环境,农业,工业等领域重要的应用潜力菌株。

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  科学家在合成酵母中发现了什么?

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  在2014年,Sc2.0创造了一个单一的人造酵母染色体。中外科学家的国际合作共完成了5条化学合成染色体,其中中国科学家完成了4条,占完成数的66.7%,Sc2.0项目向前迈进了一大步。

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  其中,袁应进带领的团队完成了synV,synX染色体的化学合成,开发了高效的染色体缺陷目标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SynXII的合成,synXII是已经合成的基因组中最长的染色体。来自深圳华大基因研究所和爱丁堡大学的研究小组完成了synII的合成和深度基因型 - 表型相关分析。

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  合成基因组规模的日益扩大和复杂性对科学界对生物体的运行和生命的本质的理解提出了越来越多的挑战。基因组DNA合成中的一个巨大挑战是在人造基因组中定位影响细胞生长的序列,即缺陷。调试有三种通用的方法,既费时又低效。作为10号染色体第一作者,天津大学吴仪博士生的袁颖金说:在合成770 kb(kb:千碱基对)酿酒酵母染色体10号染色体时,我们创造了基因组缺陷靶向快速定位和精确修复方法,解决了基因组全基因组化学合成所导致的细胞失活问题。由此产生的全合成酵母染色体具有完整的生物活性,成功地调节酵母生长并具有广泛的环境响应能力。这种方法在化学合成基因组的研究中是普遍的,并且作为表型和基因组关联分析的新策略,有望显着增强我们对基因组结构和功能的理解。

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  作为第五号染色体第一作者,文章作者,天津大学博士生谢泽雄说,在全面推进Sc2.0项目的过程中,我们已经建立了基于共染色体的基因组精确修复技术,多个目标片段的转化和大的DNA复制修复技术精确合成长的人造DNA片段。同时首次将真核人工基因组化学序列和设计序列完全匹配,系统地支持和评价了当前真核生物的设计原理。该技术的突破为人工基因组设计的重新设计,功能验证和技术改进研究奠定了基础。通过酵母染色体5的化学合成建立了一系列的染色体循环模型,利用人工基因组中设计的特定水印标签对细胞分裂过程中的染色体变化进行跟踪分析。为了研究目前不可回收的循环性染色体疾病,癌症与衰老的机制和潜在的治疗提供了一个研究模型。此外,我们开发了多级模块化和标准化的基因组方法,以创建一步大片段组装技术和平行染色体合成策略,从而能够从小分子核苷酸到活真核染色体定制合成。

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  清华大学戴俊彪研究团队设计并合成了12号染色体。在这项研究中,他们制定了一个分层装配长染色体的策略,首先通过大片段合成序列在六个菌株染色体的不同区域逐步置换内源DNA ;然后利用酵母减数分裂过程将同源重组的多个菌株的合成序列特征相结合,获得完整的合成染色体。 12号染色体上存在的高度重复的核糖体RNA编码基因簇被删除和工程化。修饰的重复单位用于重建基因组中多个位点的核糖体RNA编码基因簇。这项工作为今后设计和制备其他大型复杂的基因组奠定了基础。它也证明酵母基因组中的rDNA(核糖体DNA)区域和其他序列是令人惊讶的灵活和可塑的。戴俊彪说。

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  深圳华大基因与英国爱丁堡大学共同完成了2号染色体(770 Kb)的从头设计和全合成。合成酵母菌株表现出与野生型相似的高度生物学活性。深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沉岳表示,研究人员利用Trans-Omics方法来检测表型,基因组,转录组,蛋白质组和代谢组五种系统和分层的基因型 - 表型相关分析表明人工设计合成的酿酒酵母基因组具有高度的可扩展性和高度的灵活性。

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  幸运的是,华大基因和爱丁堡大学合成的酵母菌株不仅具有与野生型相似的生物活性,而且对环境也有很大的适应性。它的演变速度在几何上增加了。

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  四种酵母染色体的人工合成,有什么价值?

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  2000年,中国仅发布了人类基因组测序工作的百分之一。这一次,我们完成了酿酒酵母染色体合成的四分之一,这可以说是中国在合成生物学领域取得的突破性成果。杨焕明说,与这两个阶段相比,不难看出我们在生命科学研究领域取得了巨大的进步,在酿酒酵母设计的研究中,和综合,我们已经从跑步转变为跑步,并不是不可能领导未来。

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  Sc2.0的高效国际化运作也为国际大型旗舰项目提供了很好的参考模板。该计划的实施是编制基因组计划的重要基础。袁应进认为,拥有一个庞大的国际联合队伍,就有必要突破重大科技挑战。中国研究人员在这个国际计划中发挥了举足轻重的作用。在这个过程中,我们培养了一大批具有国际视野的一流创新型青年人才。中国在基因组学设计和综合方面也采取了前所未有的方式。这次国际合作取得的巨大成功,将促使更多的中国学者更加积极参与国际重大合作项目。

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  据介绍,在此前的人造基因组年会上,天津大学研究小组向国际合作联盟介绍了自己的项目研究进展情况。 2016年7月,第五届Sc2.0和合成基因组大会在英国爱丁堡举行。吴毅,谢子雄介绍了天津大学酿酒酵母染色体化学合成的最新研究进展。与此同时,天津大学合成生物学研究组的四名成员积极参加了2016年5月举行的基因组大会闭幕式会议,加入了世界顶级的合成生物学俱乐部。

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  戴俊彪说,我们科学家的这些成就,不仅对深化对生活的认识,促进相关研究有重大意义,而且在实际应用中也会有所作为。以前,转基因酵母已被用于制造疫苗,药物和特定化合物。这些新结果的发表意味着可以为化学品设计定制的酵母生物体,产品范围也将扩大。随着人造酵母的普及和应用,必将显着提高其在工业生产,制药等方面的效率和质量。

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  在这背后是中国的科技工作者坚持青山不放松,里加根在岩石打破孜孜不倦的探索精神。天津大学青年教师,全国优秀青年成才者李秉志,两位学者的合着者论文中说,科技工作者应该忍受孤独,坐在冷板凳上,用十年磨刀的气势去学习,谢哲雄和吴仪多年来一直没有发表任何相关文章,这是第一篇研究论文他们已经出版自己的本科学习。

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  据悉,以上的球队都是基于以往胜利的结果,预计在不久的将来会给人类带来更多的惊喜。

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