新时代奋斗者|合成人工生命 这项“上海科研成果”使人类对生命本质的理解更进一步

 
5月13日报道：在上海，历史上曾出过不少生命科学领域的重大成果，其中最突出的标志性成果是：在1965年，在世界上首次人工合成了蛋白质——结晶牛胰岛素；在1981年，首次人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸（tRNA），这两项成果在生命起源研究上具有重大意义。2018年8月，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所覃重军团队与合作者，在国际上首次人工创建了自然界不存在的简约化生命——仅含单条染色体的真核细胞，相关成果在《自然》杂志发表。中国学者再一次利用合成科学策略，去回答生命科学领域的重大基础问题，为人类对生命本质的研究开辟了新方向。
　　大胆想严谨试灵感来自一次散步
自然界的生命体，分为真核生物和原核生物。真核生物含有的染色体有多条，而且都是线型结构；而原核生物细胞含有的染色体，通常只有一条，且为环型结构。真核生物能否像原核生物一样，只用一条染色体，来完成正常的细胞功能呢？
覃重军说他是在一次散步的时候，突然有了一个大胆的“猜想”。在众多真核生物中，酿酒酵母也许能像原核生物一样，用一条线型染色体装载所有遗传物质并完成正常的细胞功能。酿酒酵母虽然属于低等的单细胞模式的真核生物，但它有16对染色体，这是大自然随意的选择吗？有没有可能把它变成一条染色体呢？覃重军说，“我想问问大自然，如果酿酒酵母减少到只有一条线型甚至一条环型染色体，还是不是酿酒酵母？”
为了这个大胆的猜想。覃重军研究组在这之后用了5年的时间去做出了小心求证。他们随机地把酿酒酵母单倍体16条染色体中任意2条进行了融合，如此操作了8次，得到了一个惊人的发现——菌株的生长速率几乎不变。这意味着，原先的大胆猜想是有可能实现的。
　　“人工生命”研究在国际上实现从跟跑到领跑
人工合成酵母在医药和工业发酵等领域都有应用前景。比如人类的衰老与染色体的端粒长度相关，同时端粒的缩短还与许多疾病相关，包括基因突变、肿瘤形成等。但人工创造的单条线型染色体仅有2个端粒，有很多规律可以更清晰地得到，为研究人类端粒功能及细胞衰老提供了很好的模型。此外，由于是重新编排酵母染色体，而没有导入任何外来基因，因此这一酿酒酵母仍然可以食用，未来可以强化其营养成分，向超级营养酿酒酵母发展。
这一重大科技突破也标志着中国的“人工生命”研究，从此在国际上实现了从跟跑到领跑。单染色体真核细胞的“诞生”，在基因组进化上建立了原核生物与真核生物之间的桥梁，让我们对生命本质的理解更进了一步。
　　实现产业化解决人类疾病是最大驱动力
在单染色体真核细胞实验成功之前，覃重军曾用5年时间完成了基因组工程改良抗寄生虫药物多拉菌素产生菌关键技术项目，并与医药企业合作，顺利实现产业化。多拉菌素作为最好的抗寄生虫药之一，长期由美国辉瑞制药有限公司生产并垄断全球市场，中国使用的多拉菌素均依赖进口、价格昂贵。

覃重军研究团队正在分析人造酵母菌株的脉冲场凝胶电泳验证图，左起分别是：薛小莉，覃重军，鲁宁，邵洋洋杨正行
覃重军研究组与浙江海正药业股份有限公司进行合作，发展了一系列国际先进的微生物药物基因组工程关键技术，构建和改良了多拉菌素的工业菌株，成功地实现多拉菌素原料药和制剂的工业化生产，产品质量部分指标上优于辉瑞公司产品，打破了国外垄断。
利用多拉菌素研发中发展的核心技术，覃重军研究组与海正药业公司进一步合作遗传改良了尼莫克汀和米尔贝霉素工业菌种，达到了国际先进水平。基因组工程构建与改良抗寄生虫药物多拉菌素、尼莫克汀和米尔贝霉素等工业产生菌及其产业化，对于利用基因操作技术提升我国大型制药企业的竞争力具有重要意义。
覃重军说，28岁那年构想了人生科研的“五个梦想”：从重大基础研究、产生原创技术、实现产业化、到解决人类疾病、再到提出创新理论。因此，科学家的一生必定是劳碌的。他尤其崇拜巴斯德，巴斯德开辟了微生物领域，发明了独创的微生物技术方法，解决了工业与疾病微生物的重大应用问题，开始用“实践—理论—实践”的方法进行研究。任何生命科学研究从业者都应当像巴斯德一样，用创新技术去实现重大应用。覃重军说，“基础-技术-应用，上下求索”，这也是他一直以来驱动自己不断前行的终极梦想。