实验室创造出具有超过一半合成基因组的酵母

研究人员将实验室制造的超过 7 条合成染色体组合到一个酵母细胞中，产生了一种具有超过 50% 合成 DNA 的菌株，其存活和复制能力与野生酵母菌株类似。该团队于 11 月 8 日在《细胞》杂志上展示了半合成酵母， 作为《细胞》、《分子细胞》 和《细胞基因组学 》 论文集的一部分 ，展示了合成酵母基因组计划 (Sc2.0)，这是一个致力于开发半合成酵母的全球联盟。第一个从头开始合成的真核生物基因组。该团队现已合成并调试了所有十六条酵母染色体。

“我们的动机是通过构建合成基因组来了解基因组基础的首要原理，”合著者、曼彻斯特大学的合成生物学家 Patrick Yizhi Cai ( @caiyizhi ) 说道，他也是该论文集中另外两篇论文的资深作者。“该团队现在已经重写了芽殖酵母的操作系统，这开启了工程生物学的新时代——从修补少数基因转向整个基因组的从头设计和构建 。”

尽管之前已经合成了细菌和病基因组，但这将是第一个合成的真核生物基因组，它引入了多染色体的复杂性。合成酵母也是一个“设计”基因组，与 其所基于的天然酿酒酵母(啤酒或面包酵母)基因组有很大不同。

“我们认为，生产出对自然设计进行大幅修改的东西非常重要，”资深作者、Sc2.0 领导者 Jef Boeke (@JefBoeke )说，他是纽约大学朗格尼健康中心的合成生物学家。“我们的首要目标是构建一种可以教会我们新生物学的酵母。”

为此，研究人员删除了可被视为“垃圾”的非编码 DNA 块和重复元素，添加了新的 DNA 片段以帮助他们更轻松地区分合成基因和天然基因，并引入了一种内置多样性生成器，称为“SCRaMbLE”会打乱染色体内部和染色体之间的基因顺序。

为了提高基因组稳定性，研究小组还去除了许多编码转移 RNA (tRNA) 的基因，并将它们重新定位到仅由 tRNA 基因组成的全新“新染色体”。“tRNA 新染色体是世界上第一个完全从头合成的染色体，”蔡说。“自然界中不存在这样的事情。”

由于酵母基因组由 16 条染色体组成，研究人员开始独立组装每条染色体，创建 16 种部分合成的酵母菌株，每种菌株包含 15 条天然染色体和 1 条合成染色体。下一个挑战是开始将这些合成染色体组合到单个酵母细胞中。

为了做到这一点，Boeke 的团队首先使用了一种让人想起孟德尔豌豆的方法：本质上，研究人员将不同的部分合成酵母菌株进行杂交，然后在它们的后代中寻找携带两条合成染色体的个体。虽然这种方法有效，但速度非常慢，但研究小组逐渐将所有先前合成的染色体(六条完整染色体和一条染色体臂)整合到一个细胞中。所得酵母菌株的合成率超过 31%，具有正常的形态，与野生型酵母相比，仅表现出轻微的生长缺陷。

为了更有效地在酵母菌株之间转移特定染色体，研究人员开发了一种称为染色体替换的新方法，新集合中的另一篇论文对此进行了讨论。作为概念验证，他们使用染色体替换来转移新合成的染色体(IV 号染色体，所有合成染色体中最大的)，从而产生具有 7.5 条合成染色体的酵母细胞，合成率超过 50%。

当合成染色体整合到单个酵母菌株中时，研究小组检测到了一些在仅携带一条合成染色体的酵母菌株中看不见的遗传缺陷或“错误”。“我们原则上知道这种情况可能会发生——我们可能有大量的东西，但它们的影响却很小，当你把它们全部放在一起时，可能会导致一千人亡，”博克说。

其中一些错误仅仅是由于基因组内存在许多微小缺陷的附加影响，而其他错误则涉及不同合成染色体上基因之间的遗传相互作用。研究人员能够使用基于 CRISPR/Cas9 的方法绘制并修复其中几个错误，并提高合成酵母的适应性。

“我们现在已经证明，我们可以整合基本上一半的基因组并具有良好的适应性，这表明这不会成为一个大问题，”Boeke 说。“通过调试，我们了解到生活规则的新变化。”

下一步将是整合剩余的合成染色体。“现在我们距离在单个细胞中拥有所有 16 条染色体的终点线还很遥远，”Boeke 说。“我喜欢称这是开始的结束，而不是结束的开始，因为那时我们才真正能够开始洗牌并生产出可以做我们以前从未见过的事情的酵母。 ”

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