《细胞和细胞基因组学》上发表的一系列论文描述了一个国际研究联盟的活动，该研究联盟致力于使用酿酒酵母(或普通面包酵母)作为模型合成第一个完全合成的真核基因组。这些出版物是合成酵母基因组项目(Sc2.0)的成果，该项目是一个国际科学家集体，致力于开展雄心勃勃的生物工程项目。

迄今为止，Sc2.0科学家已成功合成并调试了全部16条天然酿酒酵母染色体。现在，他们已将超过7条合成染色体组合到单个酵母细胞中，从而产生了具有超过50%合成DNA的菌株，该菌株的生存和复制与野生型酵母非常相似。《细胞》杂志上一篇题为“调试和整合多个合成染色体揭示了组合遗传相互作用”的论文更详细地描述了部分合成的酵母。

syn6.5酵母菌株的扫描电子显微照片，该菌株含有约31%的合成DNA，并显示出正常的形态和出芽行为

syn6.5酵母菌株的扫描电子显微照片，该菌株含有约31%的合成DNA。[细胞/赵等人]

“我们认为，生产出对自然设计进行大幅修改的东西非常重要，”资深作者、Sc2.0领导者、纽约大学LangoneHealth的合成生物学家JefBoeke博士解释道。“我们的首要目标是构建一种可以教会我们新生物学的酵母。”

考虑到这一目标，在合成过程中，研究人员去除了大块非编码DNA和重复元素，并添加了新的DNA片段，以帮助他们更轻松地区分合成基因和天然基因。他们还引入了一种名为“SCRaMbLE”的内置多样性生成器，可以对染色体内部和染色体之间的基因顺序进行改组。多样性生成器的详细信息在《CellGenomics》发表的另一篇论文中提供，题为“通过构建Sc2.0染色体VII和SCRaMbLEing合成二体酵母来解剖非整倍体表型”。

由于酵母基因组由16条染色体组成，研究人员首先将每条染色体独立组装，以创建16种部分合成的酵母菌株，每种菌株包含15条天然染色体和1条合成染色体。为了将这些合成染色体组合到单个酵母细胞中，Boeke的团队基本上对不同的部分合成酵母菌株进行了杂交，然后在它们的后代中寻找携带两条合成染色体的个体。

逐渐地，他们将所有先前合成的染色体(六条完整染色体和一条染色体臂)整合到一个细胞中。所得酵母菌株的合成率超过31%，具有正常的形态，与野生型酵母相比，仅表现出轻微的生长缺陷。作为巩固过程的一部分，研究人员还发现并修复了一些遗传缺陷，并使用CRISPR/Cas9编辑增强了酵母的适应性。

为了在酵母菌株之间有效地转移特定染色体，研究人员开发了一种称为染色体替换的方法，该方法在该集合中的另一篇论文中进行了讨论。该方法在题为“酵母synIX菌株中端粒酶相关适应性缺陷和染色体替代技术的后果”的细胞基因组学论文中进行了讨论。作为概念验证，该团队使用染色体替换来转移最大的新合成染色体，从而产生具有7.5条合成染色体的酵母细胞，合成率超过50%。

研究人员还采取措施，通过创建自然界中任何地方都没有的全新染色体(称为tRNA新染色体)来提高基因组的稳定性。这项创造第一个完全从头合成染色体的努力是由曼彻斯特大学曼彻斯特生物技术研究所的研究人员带头的。

新染色体是利用人工智能、机器人和计量技术设计和制造的。尽管它是合成的，但它包含典型真核染色体的特征，包括着丝粒、端粒和复制起点。它用于容纳所有275个核tRNA酵母基因，这些基因最终将被添加到完全合成的酵母中。酵母新染色体的详细信息在题为“酵母中tRNA新染色体的设计、构建和功能表征”的Cell论文中进行了描述。

从头开始重写酵母基因组不仅仅是一项有趣的研究活动。酵母是工业生物技术的主要支柱，通常用于高效、经济和可持续地生产大量有价值的化学品和生物产品。如果这一举措成功，科学家们可以设计出生产力更高、速度更快、对恶劣条件更耐受的酵母菌株。此外，通过编写基因组的过程揭示了有关基因组如何组织和进化的基本问题。

题为“合成酵母的兴起：为新应用绘制课程”的论文和另一篇题为“聚焦全球合作”的论文讨论了该倡议的一些更广泛的背景及其对合成生物学支持的研究和工业用途的影响。在Sc2.0酵母联盟中。”

该小组的下一步是整合剩余的合成染色体。“我们的动机是通过构建合成基因组来了解基因组基础的首要原理，”曼彻斯特大学合成基因组学讲座教授、该文集中两篇论文的资深作者PatrickYizhiCai博士指出。“该团队现在已经重写了芽殖酵母的操作系统，这开启了工程生物学的新时代——从修补少数基因转向整个基因组的从头设计和构建。”

同样令人印象深刻的是该项目所涉及的合作规模。主要作者和研究小组之一DanielSchindler博士表示，这是一个“令人着迷的、高度跨学科的项目”，“结合基础研究来扩大我们对基因组基础知识的理解，同时也为生物技术的未来应用铺平道路并推动技术发展”。马克斯·普朗克陆地微生物学研究所和合成微生物学中心的负责人补充道。

下一步是整合剩余的合成染色体以形成完整的基因组。“现在我们距离在单个细胞中拥有所有16条染色体的终点线还很遥远，”Boeke说。“我喜欢称这是开始的结束，而不是结束的开始，因为那时我们才真正能够开始洗牌并生产出可以做我们以前从未见过的事情的酵母。”

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