合成酵母菌計畫（Sc2.0）達成重大突破

 

合成酵母菌正在進行出芽生殖。圖片來源：Cell

2016年曾有科學家在研究到底有多少基因是必需的。當時他們是以生殖道黴漿菌作為模型（因為它是含有最少基因的獨立生物），來進行研究。最後他們發現，大約有473個基因是必需的。

為了要進一步提升對生物的認識，最近這幾年科學家們又啟動了另一個跨國的計畫，稱為合成酵母2.0計劃（Synthetic Yeast 2.0，Sc2.0）。這個計劃由來自世界各地的科學家組成的國際合作團隊進行，希望能夠藉由合成麵包酵母（Saccharomyces cerevisiae）來提升對生物的認識，並進一步磨礪合成生物學相關技術。這個計劃目前已經成功實現了以下幾個重要里程碑：

1. 合成染色體的組裝：科學家們已經成功組裝了所有個別的Sc2.0染色體。這是通過將大量的基因編輯引入到酵母基因組中來達成的，包括刪除轉位子和內插子、重新定位tRNA基因，以及將某些終止密碼從TAG換成TAA。

2. 創新的基因組重組技術：為了應對合併多個合成染色體的挑戰，該計劃開發了先進的內部複製交叉策略和tRNA陣列技術。這些創新技術允許將多個合成染色體合併到一個高適應性的菌株中，同時保持了必要的tRNA豐富度，從而避免了可能的生長缺陷。

3. 基因組穩定性和功能的提升：通過刪除原生的tRNA基因並在合成染色體上重新配置它們，研究人員提高了合成基因組的穩定性和功能多樣性。這為未來的生物技術應用，如生物製藥、生物能源生產和基因治療，打開了新的大門。

4. 實現基因組設計的靈活性和精確性：Sc2.0計劃不僅提供了一個研究基因組組裝和功能的實驗平台，還展示了基因組設計和合成的極高靈活性和精確性。

Sc2.0計劃通過創新的基因組工程技術，不僅在科學上取得了突破，還為未來的應用研究開闢了新的道路。該計劃的成功實施突顯了合成生物學的巨大潛力，特別是在訂製和最佳化生物系統方面。這不僅是合成生物學領域的一項重大成就，也為整個生命科學領域帶來了新的見解和可能性。通過這些創新，Sc2.0計畫为基因组的精確設計和合成提供了强有力的範例，展示了合成生物学在理解和應用生命科學方面的巨大潜力。

參考文獻：

Zhao Y, Coelho C, Hughes AL, Lazar-Stefanita L, Yang S, Brooks AN, Walker RSK, Zhang W, Lauer S, Hernandez C, Cai J, Mitchell LA, Agmon N, Shen Y, Sall J, Fanfani V, Jalan A, Rivera J, Liang FX, Bader JS, Stracquadanio G, Steinmetz LM, Cai Y, Boeke JD. Debugging and consolidating multiple synthetic chromosomes reveals combinatorial genetic interactions. Cell. 2023 Oct 20:S0092-8674(23)01079-6. doi: 10.1016/j.cell.2023.09.025. Epub ahead of print. PMID: 37944511.

到底需要幾個基因來構成生物體？

 

圖片來源：Craig Venter Institute

在2016年的研究中，J. Craig Venter Institute 的科學家們，建構了一個只有473個基因的生物體，可以存活下來。當時可說是「轟動武林，驚動萬教」的發現。

但是，這個被命名為JCVI-syn3.0的合成生物體還是存在著一些問題！最大的問題是，它在進行細胞分裂時，常常沒有辦法分裂成兩個一樣大的子細胞。這就代表，這個合成生物體還不是等同於自然界的生物。

所以，到底少了什麼呢？研究團隊把這個合成生物體跟它的祖先版本-含有901個基因的「JCVI-syn1.0」進行比較。畢竟，1.0版的細胞大小都差不多，也可以進行正常的細胞分裂，不會經常產生一大一小的兩個細胞。

於是研究團隊仔細檢查了從1.0到3.0中間的許多個不同的版本，發現其中一段DNA-稱為第六段（segment 6）-被去掉以後，細胞就開始出現不對稱分裂、並產生各種不同形狀的細胞了。這段DNA共含有76個基因，包括了ftsZ基因組。當研究團隊把這個基因組放回去3.0版本後，產生的新版本細胞（稱為3A）就可以產生大小一致的細胞了。

但是這個基因組總共含有19個基因。研究團隊認為，應該還可以再試著精簡一下這個新版本！首先，他們先把重複的基因組（3個基因）去掉，然後再把剩下的16個基因依照基因組（總共可分為8個基因組）一一轉入3.0版，轉入後再嘗試著將個別的基因剔除，看看到底還能從這16個基因裡面拿掉幾個基因。

結果發現，這16個基因中，有7個是不可以剔除的。一旦剔除了，細胞又沒辦法正常分裂了。這七個基因包括了ftsZ、sepF與一個未知功能的水解酶（hydrolase），另外還有四個未知功能的膜蛋白。也就是說，與3.0版本相比，只需要再加入7個基因，細胞就可以正常分裂了。

但是，這7個基因裡面的5個，到目前科學家們還是不知道它們的功能喔！所以，雖然隨著科技的進步，許多生物體（包括人類）的基因體都已經定序出來了，但還是有許多未知的領域等著大家去開拓！

參考文獻：

Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2021.03.008