中国产单染色体酵母――惊世力作还是言过其实？

　　来源：中国科普博览

　　“人造生命”，多数百科中的解释是创造自然界没有的生命。但是严格来讲， 这个描述并没有给其一个清晰定义。如果只要与自然界存在的生命有一点点不同就算是人造，那么生命科学进展到现在，每一株基因重组菌、每一只转基因动物，都算得上是人造生命：因为它们诞生于人类的实验室中，本来并不存在于自然界。

　　而最原始、最严格的人造生命的定义，大约应该是“从零开始”，从没有生命的物质合成出有生命的物质来。而现存的这些所谓人造生命，没有一个算得上真正的从零开始――它们大多数是将现有生物进行改造得来的。

　　包括此次的单染色体酵母也是如此，作者们利用自然界的野生酵母，将其多条染色体末端修剪之后首尾相连拼接成一条大型染色体。染色体数量确实从16减少到了1，但是染色体中所包含的基因总量几乎没变，就好像把原来分装在16个小文件夹中的文件归整到一个大文件夹中――还是那些文件，只不过收纳位置不一样了。


　　由狮头、鹿角、鹰爪、蛇身、鱼尾拼接而成的中国龙，恐怕是最早的人类对于人造生物的幻想（来源：visualhunt.com）

　　当然整理酵母基因组的工作实际操作起来远比整理文件要困难得多，因为生命尤其是真核生物是非常复杂的系统，有些基因仅仅是换个位置，或者拷贝数上的增减，都会影响到其功能。

　　与我国学者同时进行研究的美国实验室即是被困在这样的陷阱里：他们将16条染色体拼成了2条，却无论如何不能完成最后的融合，也许就是因为他们没有拼对这些染色体的排列顺序，或者没有删除某些冗余基因片段。

　　正是由这样的研究我们才得以知道，现阶段人类虽然已经可以读取编码生命的几乎全部基因数据，却并不能透彻理解这些数据的含义――如果我们将基因数据一字不落地抄一遍，勉强可以让生命从我们的手抄本中诞生；可是要我们选择性地抄出生命存在不可缺少的那些部分，我们还是一脸茫然。连读懂都做不到，更不要说谱写。从“誊写员”到“作家”，人类还有非常漫长的路要走。

　　真核生物达到最简模式了吗？

　　在真核酵母之前，曾经有过原核生物被成功改造的历史[5]。从十几年前开始，美国生物学家克雷格?文特尔（Craig Venter）就在实验室中合成出极为简单的原核生物，并不断地尝试删除不必要的基因，一次次挑战着“简单”的极限。


克雷格?文特尔与他创办的克雷格?文特尔研究所。（来源：维基百科）

　　与此不同的是，这次对酵母的改造并没有追求基因数量上的最小值――对于复杂的真核生物来说，只是把现有染色体拼接起来就已经足够费力了。在真核生物的基因组中，大量充斥着之前被认为是“垃圾DNA”的片段， 而近来的一些研究却又逐渐揭示了其中一些片段的作用。至于剩下的冗余片段是否真的是垃圾？如果不是的话又有什么作用？也正是这项酵母改造研究的后续令人期待之处。

　　染色体，“一条”就够了？

　　在朋友圈刷屏的文章标题中，有这么一个词特别刺眼：“只剩一条”。用了这样极端的限定词，总会让人误以为是很多其他不必要的东西都被删除掉了，而事实却并非如此。上面也提到，单染色体酵母最终的一条几乎是之前全部染色体的总和，从基因的数量来说编辑后的基因组并没有太多的删减，此一条非彼一条。

　　然而从染色体数量上来说，16到1确确实实是非常大的变化。不要觉得只要文件足够，装几个文件夹都是一样，自然界的现存真核生物会用事实进行有力反驳――绝大多数真核生物都有多条染色体，并且基因在染色体上的位置和排列对于执行其功能非常重要。

　　举个最简单的例子，在人类的生殖细胞形成过程中，如果一条染色体的一小段掉下来，在DNA修复时被连接到错误染色体上面去，虽然基因的数量并无增减，但却会给胚胎的形成和发育造成不同程度的障碍。


染色体的一段发生位置变化会影响基因的表达。（来源：wikipedia）

　　跟人类亲缘关系最近的物种黑猩猩，其染色体组与人类非常类似，只是2号染色体分成a、b两条。因此有科学家提出这样的说法：2号染色体的融合是人类进化的开端。虽然这种说法有待考证，但是染色体结构与功能的关系显而易见。


人类与黑猩猩染色体组对比（来源：wikipedia）

　　经由人工改造获得的单染色酵母存在哪些生理缺陷？

　　在单染色体酵母中，染色体的合并也确实给酵母的繁殖造成了影响。在普通培养条件下，单染色体酵母比野生型单倍体酵母的繁殖速度稍微慢一点，其通过有性生殖产生的二倍体（即单染色体加倍）酵母的繁殖速度也稍慢于野生型。

　　然而，单染色体酵母的二倍体中，有三分之一的菌落在有丝分裂时无法维持正常的染色体数目。在有性生殖时，单染色体酵母的二倍体产生的孢子数量和活力上都要劣于野生型。


培养皿中的念珠菌菌落，隶属于酵母属（来源：Nathan Reading on VisualHunt.com）

　　如果把单染色体酵母和野生型酵母混合进行竞争性培养，单染色体酵母生长繁殖上的劣势就更加明显。这样的结果就说明，拥有多条染色体的物种无疑有更强的生存竞争能力，可以在自然恶劣的条件下存活繁衍。

　　也许在酵母的自然进化中也曾经出现过只拥有一条染色体的菌株，只不过因为没能抵御环境和同类的挑战而消失在漫长的历史当中了。