一个实用的酿酒酵母基因组的部分合成片段的构建

科学家改造了一个酵母的基因组,使其更加稳定、可工程化、可进化。值得注意的是,这种改变对部分天然的合成酵母细胞的功能及繁殖均无明显的不良影响。

酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae )是模式生物,是地球上最好理解的生物系统之一。然而,酿酒酵母内部运作的错综复杂性仍使生物工程学家理不出头绪,这个酵母继续作为实验原料来贡献力量。如果科学家能够“重新构建”模式生物,即重新编码它们的基因组,使其更简单且更便于人类的认知和修复,以这些生物体为背景的科学和生物技术会以加速的步伐前进。在2011年9月22日出版的《自然》杂志中,Dymond等人提出了实现这一目标的一个重大进展:构建了一个实用的酿酒酵母基因组的部分合成片段。

近期内,重新构建满足人类需求规格的基因组已经成为合成生物学的一个既定目标。但是,真正的使基因组发生彻底的改变所投入的体力及财力仅在少数例子中实现应用,加上改良自然界通过数十亿年构建的完善体系,这种机会的不确定性,这都使得,在基因组的重建中,只有少数认真仔细的尝试才能做到。先前引人瞩目的案例包括:重构病毒基因组的12000个碱基对(约占基因组30%), 从大肠杆菌中,去除“琥珀”(amber)的终止密码子,该密码子的核苷酸序列表征翻译终止,允许研究人员将细菌的部分遗传密码随意的重新构建,这会是一个显著的成绩;马里兰州洛克维尔的J. Craig Venter研究所中,研究者已经合成了一个支原体细菌的基因组,并将其插在正常细胞中。

近来,Dymond等人提出了更高一层的工作建议,即开始致力于研究真核生物(如,真菌,植物,动物),真核生物的基因组比细菌基因组更大,更复杂。更具体的说就是,作者已经用人工合成的DNA取代了酿酒酵母的两个染色体中的一部分——即IX号染色体末端的90000个碱基、VI号染色体末端的30000个碱基。他们的最终目标是,用人工设计的序列代替整个基因组的1200万个碱基对。

为做出人工合成的DNA,Dymond等人完全去除了来自天然酵母染色体的20个区域。这些区域大多是重复序列或无功能的多余序列,重复序列会导致DNA片段被去除,甚至引起染色体的错误分离。同时,作者重新编码了长度超过500个碱基的基因,其中包含了“水印”(watermarks)——这个序列使人工合成的DNA可以很容易的区别于常规实验方法中使用的天然序列,但是这个序列不会改变基因编码的蛋白序列。如同Dymond团队先前报道的在大肠杆菌中修改一样,Dymond和他的同事修改了酿酒酵母DNA 中的琥珀终止密码子,目的是使他们能够在未来重新编码,比如,编码成为插入到酵母蛋白中的非天然氨基酸。

令人吃惊的是,作者发现,含有改良的基因组的酵母细胞并无生长缺陷,且对比野生型菌株,在基因表达中显示极小的差异。人工添加的DNA的全部序列通过活细胞得到完整的复制,这是人类工程的一个证明,也是一个征兆——神灵论者比“上帝的指纹”更具有说服力,希望你会相信。

除了早前提到的改变,Dymond和他的同事在loxPsym位点和其它几个位置引入序列元素,loxPsym位点位于人工合成DNA中的每一个非必需基因之后。当一个被称为Cre的重组酶存在时,这些loxPsym位点随机的相互重组,删除或者反转DNA的间插序列。因此,作者可以得到一个数量巨大的酵母基因组库,包含各种随意的结构种类。通过筛选或定向进化这个基因库,来寻找新的酵母菌株,这些菌株将更适合生长于一个给定的环境。此外,酵母常用来生产酒精,蛋白质和高价值的有机化合物,通过这种方式产生的新菌株,被证明有助于工业生产,同样的方式,一个简化后的大肠杆菌菌株已被证明,是一个可产大量蛋白质的良好平台。

重建整个酵母基因组使Dymond研究团队的工作范围明显变宽。但是,目前完成的合成序列仅占整个基因组的约1%,重建其余部分将是一个艰巨的任务。一个问题是,尽管在DNA合成中使用的材料,设备和耗材的总成本一直在稳步的下降,但是构建全部的基因组依然代价不菲。

更成问题的是劳动力成本。对比基因组合成和修改的近期研究显示(图1),处于酵母基因组规模时,DNA的合成需要大批科学家——如目前正在研究Dymond课题的相似课题的优秀本科生团队——或者新方法。作者具有里程碑意义的工作证实,自动化的DNA合成及组装技术正在成为必须,全合成的基因组可能会取代一步一步修饰改变基因组的方法。从技术进步方面讲,设计基因组的时代不远了。

来源:Nature