天津大学研究成果填补基因组结构变异的技术空白

   天津大学元英进教授带领的合成生物学研究团队在《自然通讯》期刊同期发表《精确控制合成型单倍体和二倍体酵母基因组重排》《体外DNA重排》《杂合二倍体与跨物种基因组重排》三篇研究长文，文中介绍了精确控制基因组重排技术等一系列研究成果。该成果填补了基因组结构变异的技术空白，提高了细胞工厂的生产效率，加速了微生物的进化和生物学知识的发现。这是继人工合成酵母染色体打破非生命物质和生命物质界限后，中国科学家在“设计生命、再造生命、重塑生命”进程中的又一重大技术进展，开启了合成生物学研究中基因组重排这一全新研究领域。

在生命科学领域，遗传变异是生物进化的源泉，促使生物在亿万年间可以不断适应环境、不断进化。科学家们也开发出多种遗传变异技术，来获取多样的DNA，从而为获取多样的生物特征提供原料。然而以前的DNA变异技术大多只针对基因层面进行小规模改造，在更加复杂的基因组结构变异层面的人工构建技术仍具有挑战。

天津大学科研团队正是瞄准这一难题，在去年报道的合成酵母染色体的基础上，研究出能够精准控制基因重排的方法，使作为研究对象的微生物——酵母菌，在有限时间内产生几何级增长的基因组变异，驱动其快速进化。他们还开创多种方法使变异后的酵母菌株具备稳定的生物活性，并作为细胞工厂来高效率产出β-胡萝卜素。

精确控制基因组重排原理示意图

酿酒酵母是生物学研究中的模式真核单细胞生物。论文《精确控制合成型单倍体和二倍体酵母基因组重排》通讯作者元英进教授表示,“化学合成酵母一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题，另一方面可以通过基因组重排系统，实现快速进化，得到在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。”

“我们构建了一套DNA体外反应体系，产生了含有基因删除、反转和复制的结构变异文库，并且使用测序技术表征了结构变异文库的多样性。该体外DNA重排技术提供了一种独特且高效的构建DNA文库方法，有助于开展便捷的表型和结构变异基因型关联分析，对结构变异的基础研究与代谢通路的工程优化具有重要意义。”天津大学合成生物学团队吴毅介绍到，该项成果有望在DNA文库构建和细胞代谢工程等领域得到广泛应用。

据悉，合成生物学（Synthetic Biology）是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后，以基因组设计合成为标志的第三次生物技术革命。酵母基因组合成计划（Sc2.0计划）是合成基因组学（Synthetic genomics）研究的标志性国际合作项目。该项目由美国科学院院士杰夫·伯克发起，有美国、中国、英国、法国、澳大利亚、新加坡等多国研究机构参与并分工协作，致力于设计和化学再造完整的酿酒酵母基因组。天津大学元英进教授是该计划的国际化推动者及中国最早参与者。此前，元英进教授牵头负责的“酵母长染色体的精准定制合成”研究成果入选2017年度中国科学十大进展。