设计和再造生命，这一科幻片中的场景或许不久将成为现实。

　　近日，“人工合成酵母基因组计划(Sc2.0)”在国际合作组的通力协作下取得了突破性进展：继2014年美国科学家人工合成酵母3号染色体后，5条酵母人工染色体合成也被攻克，中国科学家完成了其中的4条。该重量级成果于3月10日发表在权威学术期刊《科学》上。国内外同行指出，这是继合成原核生物基因组之后，又一里程碑式突破，有望开启人类设计生命、再造生命和重塑生命的新纪元。

　　人工合成酵母染色体最大的技术难点是什么?中国团队有哪些科学突破?这项里程碑式的成果会带来怎样广泛而深远的影响?是否也将带来生物伦理和生物安全的挑战?带着诸多待解之惑，记者采访了Sc2.0计划的国际化推动者及中国最早参与者，领队攻克2条酵母染色体人工合成的科学家，天津大学教授元英进。

　　记者：作为Sc2.0计划的国际化推动者，您是如何参与到这个计划中来的?为何会选用酵母基因进行重新设计并化学再造?

　　元英进：杰夫•博克是酵母的遗传学专家，他发现合成生物学是一种趋势，想把合成生物学的理念用到酵母上面，但发现做的时候有很多困难。刚好那个时候我有机会去他实验室，经过一整天的详细了解和后续的深入思考与评估，我发现这个工作很具有挑战性，但一旦做完后价值很大。因为在这之前，全世界科学家干过一些事，比如克莱格·文特尔完成过原核生物“辛西娅”基因组的合成。“辛西娅”只有一条环形的染色体，而酵母有16条线性染色体。酵母属于真核生物中的模式生物，本身有很高的理论研究价值和广泛的工业应用。而且一旦攻克了酵母基因组的合成，就可以进行其它的超大基因组的合成。我就希望世界科学家构成一个合作的共同体来做这个事情，自己便很早介入到这个工作中。

生物分为原核生物和真核生物两类。

　　在日常生活中，我们做馒头、做面包、酿酒都会用到酵母。酵母还能用于生产抗体、蛋白药物、小分子药物以及生物燃油。一旦完成酵母体系的人工再造，我们改造自然时可用的工具就大大增强了。我们设计酵母时有几个原则：让基因组具有更好的稳定性、更好的操作柔性和可变性。当作为生产目的时，我们让其内部结构发生改变，可以有利于我们的生产。在一定的条件下，可以让这种酵母菌按照人为预想的目的提升性能。同时，酵母有三分之一的基因和人类基因有同源性，酵母体系一旦再造，对整个人类疾病的研究也是一个利好消息。

　　记者：2014年，杰夫·博克花7年时间完成单细胞真核酵母的第一条人工合成染色体。他曾以为可以2年内完成酵母的16条染色体全部合成，然而到如今国际通力合作后才有了较大进展。人工合成酵母染色体最大的技术难点是?

　　元英进：我们做的酵母是真核生物，之前没有人做过真核生物基因组的人工合成。我们需要从基因组设计开始，把它化学再造构建起来，还要检验基因组设计原则，发现、修正设计缺陷并进行再设计。最困难的一点是，重新设计之后，染色体片段需要从体外合成，再到体内替换天然的酵母染色体。由于人工合成的序列与天然序列相比有很多改变，某些序列的改变可能会导致细胞失活，甚至死亡，多数时候是有缺陷，例如长的慢，或细胞大小不一，总之不是健康的细胞。于是最大的问题是，如何快速锁定并且修复这些合成染色体中的缺陷。

　　记者：从2014年博克完成的第一条人工合成酵母染色体，到您带领团队完成的5号、10号染色体，在技术上有了哪些突破?

　　元英进：在做5号染色体的时候，我们萌发了一个想法，合成一条“完美”的染色体，把所有可能出现的错误和碱基上的变化都修复到和设计序列完全一致。这在投稿的时候没有做到，在投稿后历时5个月，终于做出了一条“完美”染色体。同时，我们将基因编辑技术与人工合成染色体相结合，为该研究领域提供了全新的研究角度。

　　此外，人类染色体成环，会导致很多疾病。我们拿5号做出一个环形的染色体，构建了研究染色体成环而导致发育异常疾病的研究模型。

　　在做10号的时候，我们创建了一种高效定位缺陷靶点的方法，即“混菌PCR标签定位法”。在化学再造基因组中，容易发生合成型DNA导致细胞生长缺陷，通过我们开发的此方法，可以迅速知道导致生长缺陷的靶点在哪里，进而可以迅速的修复。我们在联盟中共享了这个方法，对大家也很有帮助。

　　记者：《科学》杂志中国区负责人相艳评价该成果为里程碑式的成就。它具有怎样的重大意义?将为人们的生活带来怎样的改变?

　　元英进：《科学》本身通知了上万个记者报道我们的研究，也侧面反映出杂志对这项工作的突破性非常肯定。我们突破了真核生物染色体构建的难题，为国际关注的超大基因组的合成创造了条件，比方说植物和动物的基因组。此外，真核生物基因组的设计合成也可以为消除器官移植的排异反应、衰老机制解析、复杂疾病治疗等提供新的研究方案。说这个工作是里程碑，不为过，甚至意义更大，它打开了真核生物基因组合成再造的大门。

　　合成生物学这个领域十分重要，具有颠覆性的特征。从生产过程来说，过去需要种植植物以萃取含量很低的有效成分，例如青蒿素。现在人工合成酵母，就可以生成青蒿素了，于是不用大规模种植植物用于提取微量成分，减少了对环境的污染破坏，颠覆了原有生产工艺。

　　对产业发展来说，合成生物学具有革命性的特点，相关产业会进入指数级的增长。如果国家不进行超前布局的话，未来可能会在新一轮技术革命中吃亏。未来，生物化在整个社会的很多方面都是一个趋势。

　　记者：人工合成酿酒酵母基因染色体，是否也有助于解决能源短缺、环境污染等问题?

　　元英进：是的，可以用人工合成细胞构建一种体系，将污染物和废物资源化。例如，借助太阳光把二氧化碳转成化学品。这些方向都有合成生物学专家在做，但要产业化还需要一些技术突破。

　　用微生物完成各类工作的大部分技术障碍将在大致5年内都能突破，例如塑料的降解，石油的第三次开采。若真有人想分解塑料，可以从头设计，构建人工细胞或者细胞群体，估计用5年可以设计构建的理论基础和实际可以完成。目前做这些研究，需要很多人合作做，未来可能是计算机辅助设计，再拿自动化的机器人做构建。

　　更长远的目标可以做更复杂的生物体系的重构，比如涉及到怎样更好地利用光合系统的叶绿体，以及其它的能量转换装置，如线粒体等。另外，像人类的癌症疾病，可以用合成生物学尝试解决，这可能需要突破一些核心技术，比如超大基因的设计和再造。我们花三到五年可以判断这项研究的前景，彻底解决可能需要10年的时间。

　　记者：这项技术是否也会带来生物伦理和生物安全的挑战?

　　元英进：任何的技术进步都是双刃剑，合成生物学也是这样。我们做之前都要考虑清楚对人类带来的福祉和危害是什么。目前来说，合成生物技术做微生物比较多，主要是做大肠杆菌和酵母等模式生物。这些都是人类了解比较深入的微生物。如果酵母菌不引入额外有害的基因，酵母本身的基因的信息是比较清楚的。目前我们只是对酵母菌自身的基因组做了一些变动，但是基因的序列维持不变。

　　在早期我们进行了大量的生物安全方面的讨论。我们构成的这个联盟也开了几次研讨会，每次都会专门讨论生物伦理和生物安全问题。通过讨论我们不断修订联盟成员共同遵守的生物安全和生物伦理的规范。做其他的合成生物学研究也会边做技术突破本身，边进行生物安全生物伦理的讨论。我们需要有甄别和预警能力的技术的出现。

　　记者：接下来，您的项目组有哪些进一步的研究计划?

　　元英进：我们正在研究化学再造之后的酵母怎样为人类服务。比如很多药品怎样生产效率更高，怎样生产更加环保节能。我们做了很多工作，也颇有成效，在接下来的几个月里应该会有一些新的研究成果投稿。

　　(作者：蒲潇)