科学家正在向人工全合成真核细胞靠近。
合成生物学的核心主题之一是：“通过创造来理解”，在这一精神的鼓舞下，科学家生成了首个合成细胞——JCVI-Syn1.0。Sc2.0项目组试图合成一个更加高度进化的生物：酿酒酵母（真核单细胞酵母）。Sc2.0项目的科学家之前已完成了一条酵母染色体的构建，后继又构建了另外5条酵母染色体（目前通过构建得到的染色体的数量已经超过了整个酵母基因组的三分之一）。研究人员通过各种表型分析及结构和功能基因组学技术，观察到合成染色体像天然染色体一样驱动生物过程。
创造一个合成生物体最重要的步骤是精心设计基因组材料，从而最终控制细胞中的每一个生理过程。Sc2.0项目组建立了一个软件系统——BioStudio，用于设计染色体。设计每条染色体时都应用了一系列规则，包括去除重复区和内含子（除HAC1内含子外），TAG终止密码子重编码为TAA，以及转移RNA重新定位至肿瘤染色体（neochromosome）。此外，在染色体中非必要基因的3’末端引入loxPsym位点，来进行化学诱导的基因组重排（通过Cre重组酶）。这种方式允许选择所需的表型以及检测相应的基因型[通过loxP介导的进化来进行合成染色体重排和修饰（synthetic chromosome rearrangement and modification by loxP-mediated evolution，SCRaMbLE）实现]。尽管在构建合成染色体时发生了数以千计的变异，但这些突变仍然被视作“不显著的”，也就是说，没有彻底改变基因组大小、结构或功能组织。这种保守的设计可能是迄今为止成功使每条合成酵母染色体功能化的部分原因。
上述设计规则通过逐层装配合成染色体来实现，首先用寡核苷酸块（750个碱基对）构建一些DNA块（chunks）：在体外组装成为长度为2 kb～3 kb的迷你块，随后组装成10 kb或30 kb～60 kb的巨型块。每个巨型块（除了末端巨型块）在3’末端携带一个选择性营养缺陷型标记物，用于置换出野生型染色体DNA。用下一个合成的巨型块替换天然染色体时，标记物被回收利用[通过整合逐步转换营养缺陷型标记物（switching auxotrophies progressively by integration，SwAP-In）实现]。根据染色体长度的差异，科学家开展了33个SwAP-In实验，以生成一个携带一条完全合成的染色体及15条天然染色体的细胞。Sc2.0项目组利用该操作建立了6条完整的酵母染色体（synⅡ、synⅦ、synⅤ、synⅥ、synⅩ、synⅫ）及半条染色体（synIXR）。Sc2.0项目组利用内复制回交技术，将所有合成染色体整合在单一菌株内，这可能是生成完全人工合成的酵母的重大进步。与自然细胞相比，携带两到三条完全人工合成的染色体的细胞在表型或基因组结构方面并无差异。
目前合成染色体的设计并不完美，但接近于完美。合成DNA几乎未纳入同义密码子（PCRTags）的重编码事件，用以检测天然染色体被合成的部分所替换。尽管这些“水印”中的大多数是良性的，但仍使基因表达发生了一些改变，导致信使RNA（messenger RNA，mRNA）的二级结构发生改变，并导致表型明显变化。其他“水印”通过创建一个假定的转录因子结合位点或直接影响mRNA的翻译效率（原因可能是解码效率差异），改变基因表达。
在某些情况下，引入loxpsym位点导致必需基因表达减少，从而产生了有害的表型。测序、减数分裂重组，混菌PCR标签定位（pooled PCRTag mapping）及电泳核型分析被用来确定“缺陷”。为了同时消除多个“缺陷”，科学家采用成簇规律间隔短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR）–Cas9，或至少使用一个单独“可选性”的插入事件。
在合成染色体的若干组装环节中，采用SwAP-In方法逐步替代天然染色体，可以检测设计产生的不良表型。然而，该方法也制造了大量复制和重排事件的机会，这些事件只有当整个人工染色体合成完毕时才最有可能通过检测发现。鉴于最近完全从头合成染色体技术和移植技术的进步，可以想象在不久的将来，可以从头设计和化学合成人工染色体，移除天然染色体并同时用整个染色体替换天然染色体。事实上，Sc2.0项目组的科学家使用其中一些染色体合成和组装技术，用来生成“迷你块”以及“巨型块”。
天然染色体与合成染色体的重组可通过在染色体序列中引入足够的差异来避免（例如，重编码基因）。来自目前已有工艺（如体内选择性2’-羟基酰化和绘图）的知识可以避免重编码期间破坏关键mRNA结构。与SwAP-In技术相比，合成和转化染色体耗时可能较短。
在未来的研究中，设计过程的范围可能扩展，可阐明支持真核生命的基因组原则。不久前，科学家以最小基因集设计并合成了一个细菌细胞，这解答了生物学的一个基本问题：可支持生命的最小的基因组有多大。科学家也在解决关于酵母的类似问题。染色体的设计也可扩展至对基因组进行功能模块化（基于功能组织染色体上的基因）。这可阐明复杂且保守的调节机制，并最终应用于更高级的真核生物，乃至人类。值得注意的是，科学家正在马克斯克鲁维酵母（生长最快速的真核生物）中进行研究，以期通过最小化和模块化来理解基因组组构原则和定制基因组设计，因此大大加快了基因的设计-建立-测试周期。毫无疑问，Sc2.0项目的进展将加深我们对基本生物过程、基因组如何实现其功能的理解。在此基础上，结果具有高度可预测性的酵母计算模型可很大程度成功地被设计和得到。这种设计生物体可用于了解人类疾病，识别疾病靶点，从而产生治疗方案。
（作者：刘娜)
参考文献：Science 2017;355:1024-1025