合成基因組學

顧名思義，化學合成基因組的學科，包含基因組的設計、合成、組裝及移植。英文寫作Synthetic genomics。毫無疑問，由J. Craig Venter領導的JCVI小組是世界範圍內，進行合成基因組學研究最成功的一個團隊。合成基因組學從一開始只是單純地合成寡核苷酸，到現在能夠實現大片段染色體的合成，J. Craig Venter和他的團隊做出了巨大的貢獻。

合成基因組學研究中最重要的兩項技術，一個是基因組的設計、化學合成、組裝技術，另一個就是基因組移植技術。最終目標是要製造一個由化學合成基因組控制的細胞，及“合成細胞”。

1979年，H. G. Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因

2002年，美國紐約州立大學石溪分校的E. Wimmer小組用3年時間合成出了脊髓灰質炎病毒的全基因組，約7.7Kb。經過實驗證明，這些人工合成的病毒基因組不僅可以合成出與天然病毒蛋白完全相同的蛋白質，而且通用具有侵染宿主細胞的活力

2003年，J. Craig Venter的研究小組用了14天時間從頭合成了噬菌體φX174的基因組，長度約5Kb

2005年，美國研究人員人工合成了1918年造成世界上千萬人死亡的“西班牙流感病毒”；

2008年，J. Craig Venter小組又化學合成了生殖道支原體（Mycoplasma genitalium）的基因組，長度約580Kb

2010年，J. Craig Venter小組將人工設計、合成、組裝好的絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）移植入受體細胞中，一段時間後，該移植細胞完全由合成的基因組控制。

1995年，在J. Craig Venter的領導下，其團隊成功完成了對流感嗜血菌（Hemophilus influenzae）和生殖道支原體（Mycoplasma genitalium）的全基因組的測序工作。其中生殖道支原體的全基因組只有約580Kb，編碼約480個基因，如此之小的基因組令他們不禁好奇，究竟多少個基因就能支持一個細胞的自由生活？事實上，生殖道支原體的基因組是迄今為止能夠在實驗室條件下生長的最小的基因組，也是自由生長的細胞中最小的基因組。於是，J. Craig Venter團隊萌生了製造一個最小細胞的想法，並開始了他們的合成基因組學研究（Synthetic Genomics Research）之旅。

儘管生殖道支原體已經擁有自然界中自由生長的細胞中最小的基因組，但即使是這樣小的基因組仍然存在冗餘。J. Craig Venter團隊分別在1999年及2006年對它的基因組進行了全基因組轉座子突變的實驗，來探究在這480個基因中哪些是必需的，哪些是非必需的。不同的是，1999的實驗策略，受到當時技術和條件所限，只是通過轉座子插入的比例估計了必需基因的個數在265-350之間。而2006年，隨着技術的成熟，他們已經能夠精確定位每一個基因，進行突變。通過一次一個基因的突變策略，他們發現有100個基因突變之後對細胞的生長沒有影響，也就是説是非必需的。至此，他們對這個自然界最小的基因組已經有了初步的瞭解，但是要想了解每一個基因的功能，還要走很長一段路。但是，至少，他們對一件事情已經心中有數：當化學合成這個細菌的基因組時，有些基因的改變是不會影響整個合成基因組的功能的。

全基因組移植技術與基因組合成一樣，也在JCVI並行地進行。值得一提的是，這次，他們改變了自己的研究對象。雖然生殖道支原體的基因組很小，但是它的生長速率極慢，大大拖慢了他們的研究速率，於是，他們決定放棄生殖道支原體，轉而選擇生長速率快的絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的基因組作為供體，山羊支原體（Mycoplasma capricolum）作為受體細胞。絲狀支原體的基因組有1.08Mbp，比生殖道支原體大了將近一倍。但是他們基因組合成技術體系已相當成熟，基因組大小已不是他們的障礙。

2007年，JCVI的合成基因組學研究團隊首次發表了他們基因組移植的成果。這是他們第一次實現細菌之間的基因組移植。將絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）的全基因組移植入去基因組的山羊支原體（Mycoplasma capricolum）的細胞內，他們驚喜地發現移植細胞成功地活下來了，並完全由植入的絲狀支原體的基因組控制。只是值得高興的事情，至少它證明了供體細胞可以接受植入的基因組，而植入的基因組也可以在供體細胞內發揮作用。

然而，為了實現合成基因組的移植，僅僅這點成功是不夠的。由於基因組合成組裝的過程是在酵母中完成的，他們必須實現基因組從酵母到細菌的移植。中間同樣遇到了諸如甲基化、限制性酶切等的難題。但他們都一一找到並克服。最終以完美的方式實現了天然絲狀支原體基因組從真核生物酵母到原核生物山羊支原體的移植。這項成果發表在2009年的《Science》上。

接下來要做的，就是在合成基因組上重複這件事情，及將在酵母中組裝好的合成基因組移植入供體細胞中，並啓動移植細胞的正常生長。

2002年，《Nature》新聞欄目的一篇報道介紹了Venter化學合成基因組並將其插入去基因組細胞中令新細胞重新活起來的想法。儘管很多人懷疑，但是 Venter團隊並沒有因此而停止他們的探索。

2003年，Venter團隊在《Science》上發表了他們在兩週之內全化學合成的噬菌體基因組，實現了一次技術上的突破。但這不是終點。

2008年，JCVI團隊終於攻克了化學合成基因組的各種難關，成功合成了生殖道支原體的全基因組，約580Kb。兩篇技術性的文章分別發表在《Science》和《PNAS》上。在合成基因組學的道路上，他們結結實實地邁了一大步。

他們化學合成的技術描述起來並不複雜。就是根據天然的基因組序列信息設計對應的短的DNA片段，用化學合成的方法合成這些DNA片段，然後將這些片段導入酵母中組裝，組裝成功的就是一個合成的基因組。雖然看似簡單，但其中遇到的困難非常人所能想象。事實上，即使JCVI團隊也不知道在這項研究進行的過程中會有哪些障礙。他們所能做的就是在困難來臨的時候，不斷地尋找，反覆的實驗，加倍地工作來找到障礙所在，然後想辦法克服它。

無論如何，他們做到了。

要想獲得一個合成細胞，必需實現三件事情：

1. 化學合成一個基因組

2. 將化學合成的基因組移植入受體細胞中

3. 受體細胞由化學合成的基因組啓動並控制

至此，他們已經完全掌握了全基因組化學合成組裝技術。

藉助於之前所建立起來的基因組設計、合成、組裝和移植技術，2010年5月20日，J. CraigVenter領導的JCVI合成基因組學研究團隊在《Science》上發表了他們稱之為“合成細胞”的成果。這個細胞被稱為“Synthia”，它完全由植入的合成基因組控制，並表現出與野生型一致的表型，唯一不同的是，它的基因組是化學合成得到的，基因組序列中除了包含野生型基因組的信息外，還添加了 4個水印序列（wartermark）。儘管這個合成細胞的細胞膜並不是合成的，但是被合成基因組控制之後，這個細胞原有的蛋白質組完全被合成基因組編碼的蛋白所取代。因此，稱之為“合成細胞”並不為過。

這項成果引起了社會界科學界的廣泛關注和討論。對此，有人褒有人貶，有人欣喜有人恐慌。

“人造生命”是一個既讓人興奮，又讓人擔憂的詞語。

美國總統奧巴馬下令對這項研究進行審查。2010年5月27 日，Venter代表他的研究團隊在美國國會對這項研究進行了聲明。同時進行陳述的還有NIH的董事AnthonyFauci，以及BioBricks Foundation的總裁Drew Endy。後面兩個人分別對合成生物學的優點及潛在的影響進行了陳述。

為了顯示synthia基因組的特別之處，也為了區別與其它的基因組，JCVI團隊在設計基因組時，特意設計了4個”水印“序列。這些序列起始及末端都有終止子，因此不能夠翻譯成蛋白質，但是作為一種密碼，它們卻暗含了其它額外的信息。

Venter團隊在這些看似不起眼的序列裏面設計了與合成基因組學研究相關的人員的姓名、郵件地址以及名言警句等信息，以顯示Synthia的獨特。

這些信息分別是：

· J. CraigVenter：JCVI領頭人

CRAIGVENTER coded as:TTAACTAGCTAATGTCGTGCAATTGGAGTAGAGAACACAGAACGATTAACTAGCTAA

· J. CraigVenter Institute：JCVI研究所名稱

VENTERINSTITVTE coded as:TTAACTAGCTAAGTAGAAAACACCGAACGAATTAATTCTACGATTACCGTGACTGAGTTAACTAGCTAA

· Hamilton O.Smith：JCVI領頭人之一

HAMSMITH coded as:

TTAACTAGCTAACATGCAATGTCGATGATTACCCACTTAACTAGCTAA

· Clyde A.Hutchison III：JCVI領頭人之一；

CINDIANDCLYDE coded as:TTAACTAGCTAATGCATAAACGACATCGCTAATGACTGTCTTTATGATGAATTAACTAGCTAATGGGTCGATGTTTGATGTTATGGAGCAGCAACGATGTTACGCAGCAGGGCAGTCGCCCTAAAACAAAGTTAAACATCATG

· John I. Glass：項目主要負責人之一

GLASSANDCLYDE coded as:TTAACTAGCTAAGGTCTAGCTAGTAGCGCGAATGACTGCCTATACGATGAG TTAACTAGCTAA

一些名言：

“TO LIVE, TOERR, TO FALL, TO TRIUMPH, TO RECREATE LIFE OUT OF LIFE.”

—— 出自 James Joyce 的《A Portrait of the Artist as a Young Man》.

—— 譯作：去生活，去犯錯，去跌倒，去勝利，去從生命中重造生命

“SEE THINGS NOTAS THEY ARE, BUT AS THEY MIGHT BE.”

—— 出自一本書《American Prometheus》，這本書描述 J. Robert Oppenheimer和第一顆原子彈

—— 譯作：不要看東西的表象，看他們可能呈現的樣子

*“WHAT I CANNOT BUILD, I CANNOTUNDERSTAND.”

—— 出自《The Universe in a Nutshell》 中 Stephen Hawking （史蒂芬·霍金，物理學家，哲學家）描述的 Richard Feynman （理查德·費曼）(物理學家，哲學家) 臨死前，黑板上留下的最後一句話。

—— 譯作：我無法建造的東西，我也不能理解

—— 此處原文中是“What I cannot create, I cannotunderstand”

Ventor的一個夢想就是希望能夠造出一種細菌，吃進去的是二氧化碳，吐出來的是石油，同時解決環境和能源問題。在國會陳述中，Venter指出他們的下一步計劃是通過基因失活等方法考查基因組中每一個基因的功能，期望對整個基因組有一個全面的瞭解。同時，進行敲除那些不必須的基因，獲得一個“最小”的基因組。進而，在此基礎之上，向“最小基因組”中插入特殊的功能模塊，以製造出能夠完成特定功能、具有某種特性的基因組和細胞，以服務於社會。

儘管這兩個概念總是被混用，但他們之間仍然是有區別的。Venter指出，合成基因組學是一種能力，可以説是一種技術集合，利用這種能力，這種技術，可以用於合成生物學的研究。合成生物學設計出的功能模塊，要想組裝，要想實現，就需要用到合成基因組學的技術。現在這樣的技術他們已經掌握，這對他們後續的合成生物學研究必然是一種鼓舞。

現在的合成基因組學研究，世界範圍內只有Venter一家已經實現。有人擔憂這項研究所帶來的倫理、道德、社會問題會不會有對人類社會帶來風險。更有人害怕這樣的技術被用於生物恐怖主義等。但以Venter及其團隊的視角來看，這樣的擔憂似乎還有些早，而且他們稱早在這項研究開始之初，便同時開始了對這項工作的各種審查。此外，畢竟“Synthia”離開了實驗室便不能成活，而且走到今天這一步，Venter他們用了15年的時間。即便現在他們已經掌握了各種技術，要想從頭到尾地實現，還是需要一段時間的。生物恐怖主義者恐怕並不樂意做這樣一件費時費力的事情。

然而，不得不説的是，一項技術未來的發展趨勢是很難預知的。我們期望它能給我們帶來好處，同時也要有風險意識。