用化學(xué)物質(zhì)合成生命，人類正一寸寸向“造物主”的角色挪近。
2017年3月10日，美國《科學(xué)》雜志以特刊的形式發(fā)表了“人工合成酵母基因組計(jì)劃（Sc2.0）”的里程碑式階段性成果——繼2014年美國科學(xué)家人工合成真核生物酵母3號(hào)染色體后，新的5條酵母人工染色體被攻克，來自中國的3個(gè)研究團(tuán)隊(duì)占據(jù)其中4條。
清華大學(xué)生命科學(xué)院戴俊彪實(shí)驗(yàn)室攻克的是目前酵母中最長(zhǎng)的那條染色體。坐在中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院12樓休息區(qū)的沙發(fā)上，43歲的戴俊彪習(xí)慣性地泡了咖啡，準(zhǔn)備接受澎湃新聞（www.thepaper.cn）的專訪。
在一個(gè)小時(shí)的采訪中，戴俊彪回憶了攻克該項(xiàng)課題的4年時(shí)間里，他經(jīng)歷的兩位學(xué)生知難而退、實(shí)驗(yàn)遇阻停擺一年、測(cè)序結(jié)果糟糕等波折。2015年底，他終于將實(shí)驗(yàn)結(jié)果成文，投稿《科學(xué)》雜志，報(bào)告了實(shí)驗(yàn)室用創(chuàng)新的分級(jí)組裝方法，合成酵母中最長(zhǎng)的染色體——12號(hào)染色體。
按照自然規(guī)律合成酵母染色體就像改造二手房，在搭建時(shí)，需要把房子拆開來看看，在保證房子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，設(shè)計(jì)類似的東西。至于這項(xiàng)研究的意義，簡(jiǎn)而言之，人類已經(jīng)可以在實(shí)驗(yàn)室里編寫“生命密碼”了，人造基因可以和野生型高度相似。
時(shí)間回?fù)艿?012年4月的一天，作為基因合成領(lǐng)域的大佬級(jí)人物，美國科學(xué)院院士杰夫·博克（Jef Boeke）第一次來到中國。在清華大學(xué)南門外的一個(gè)會(huì)議室里，博克決心和來自各國的生物學(xué)家討論如何實(shí)現(xiàn)酵母16條染色體的人工合成。最終，這次會(huì)議成為了Sc2.0項(xiàng)目的起點(diǎn)。
博克已經(jīng)意識(shí)到，這項(xiàng)覆蓋1200多萬個(gè)堿基對(duì)[注：堿基對(duì)是一對(duì)相互匹配的堿基（即A—T， G—C，A—U相互作用）被氫鍵連接起來。]的工作如此浩瀚，以一己之力是無法完成的，那么發(fā)起一次類似“人類基因組計(jì)劃”的國際項(xiàng)目似乎是個(gè)最佳的解決方案。
戴俊彪是那次會(huì)議的與會(huì)者，他還有一個(gè)身份是博克曾經(jīng)的博士后。出生于江蘇，在南京大學(xué)和清華大學(xué)完成本科和研究生教育后，戴俊彪赴美國愛荷華大學(xué)攻讀博士學(xué)位，后來又以博士后身份輾轉(zhuǎn)至約翰·霍普金斯大學(xué)博克的實(shí)驗(yàn)室，并在此期間獲得該校醫(yī)學(xué)院頒發(fā)的Albert Lehninger研究獎(jiǎng)。
參與Sc2.0，加入到人工合成酵母染色體的大軍中，這對(duì)于戴俊彪來說，是件順理成章的事。2000年，一到美國，戴俊彪就開始和酵母打交道，一接觸就是10多年。當(dāng)主導(dǎo)Sc2.0項(xiàng)目的博克對(duì)如何加快進(jìn)程一籌莫展時(shí)，戴俊彪對(duì)他說：“我?guī)湍阕鲎铋L(zhǎng)的一條染色體。”
“12號(hào)是我最喜歡的一條染色體。”戴俊彪解釋原因時(shí)脫口而出，“因?yàn)槟闳タ�，它�?shí)際上是酵母里面最長(zhǎng)的一條染色體。”同樣重要的是，12號(hào)染色體獨(dú)一無二的“個(gè)性”吸引著他去一探究竟。
12號(hào)染色體上有一個(gè)特殊的區(qū)域，由編碼核糖體RNA（核糖體是將mRNA翻譯變成蛋白質(zhì)的機(jī)器，由一些蛋白質(zhì)和RNA組成）的基因重復(fù)排列構(gòu)成。該基因不僅僅有著特異的表達(dá)調(diào)控方式，而且在不同的細(xì)胞中它可能重復(fù)150次，也可能重復(fù)100次。為什么會(huì)這樣？是什么決定的？提起12號(hào)染色體有多特殊，戴俊彪的語速快了些。
好奇心是科學(xué)家探索未知最大的牽引，戴俊彪攬下了第12號(hào)染色體的合成任務(wù)。
拼接33塊“磚頭”途中，一波三折
“一開始我對(duì)這個(gè)項(xiàng)目非常樂觀。”戴俊彪說，2011年，他以中共中央組織部第一批“青年人才”身份回到母校清華大學(xué)組建實(shí)驗(yàn)室。在那年9月入學(xué)的新生中，他挑了一位專攻酵母染色體合成項(xiàng)目的學(xué)生。
Sc2.0項(xiàng)目有較為統(tǒng)一的操作規(guī)范，將酵母的染色體劃分為每30kb（千堿基對(duì)）為一段的“染色體磚塊”，實(shí)驗(yàn)室的任務(wù)是將它們一塊塊由天然的染色體“替換”成由化學(xué)物質(zhì)合成的人工染色體，一塊塊“人工磚塊”最后“壘”成整條染色體。
戴俊彪面對(duì)的12號(hào)染色體有近1Mb（1Mb=1000kb）長(zhǎng)，需要分為33個(gè)30kb長(zhǎng)的“磚塊”，覆蓋100萬左右個(gè)堿基對(duì)。按照Sc2.0的方法，合成時(shí)需要從頭開始，按照先后順序“壘磚塊”。
前期的測(cè)試順風(fēng)順?biāo)�。戴俊彪�?duì)標(biāo)準(zhǔn)方法稍作修改就開始了第一個(gè)“磚塊”的合成，只花了兩周的時(shí)間。
“按這個(gè)計(jì)算的話，兩個(gè)星期干一個(gè)，33個(gè)不需要多少星期就把它全部都弄完了，是吧？所以我們當(dāng)時(shí)也設(shè)了目標(biāo)，說我們爭(zhēng)取在1-2年之內(nèi)把這個(gè)項(xiàng)目整個(gè)都做完。”戴俊彪回憶說。
就在以為可以一路綠燈前往目的地時(shí)，戴俊彪遇到了路被堵住的問題。以字母ABCD依次標(biāo)記染色體的“磚塊”的話，戴俊彪在A、B、C上都沒有遇到困難，“D碰到了一點(diǎn)點(diǎn)問題，E實(shí)際上是一個(gè)比較大的問題，然后F沒問題，G也沒問題，H是把整個(gè)項(xiàng)目停滯了差不多一年時(shí)間”。
之所以停，是因?yàn)镾c2.0的策略是“一旦哪個(gè)地方出了問題以后，一定要把它修改好了以后，你才能往下弄，做下一個(gè)”。這在2014年博克合成3號(hào)染色體（300kb）時(shí)沒有展露問題，但一旦染色體增至3倍長(zhǎng)，這種策略拖延進(jìn)展、耗時(shí)耗力的缺點(diǎn)就出現(xiàn)了。
按照順序合成到H磚塊時(shí)，戴俊彪和學(xué)生舉步艱難，每次一把人工合成的部分加入，放進(jìn)細(xì)胞，酵母就停止生長(zhǎng)了，或者“零零星星長(zhǎng)出來幾個(gè)很小的”。這意味合成的部分沒有被整合進(jìn)去，是失敗的。
“那段時(shí)間大家壓力挺大的，因?yàn)榍懊孀隽藥讉�(gè)月還比較順利，然后后面差不多有一年的時(shí)間，一點(diǎn)進(jìn)展都沒有，就整個(gè)全是在找各種各樣的問題。”戴俊彪說，因?yàn)樵贖磚塊上“問診”一直出不了結(jié)果，有位學(xué)生選擇放棄，轉(zhuǎn)到別的實(shí)驗(yàn)室。
不能一直這么“憋”著，戴俊彪覺得不能繼續(xù)等著，他開始設(shè)計(jì)分級(jí)組裝的方法，“不如我們先跳過這一段（H），可以把這一段恢復(fù)為野生型（注：野生型指的是酵母原本天然的染色體）的，然后再往后做，就是先不管這一段。”畢竟，H磚塊還只是第8塊，后面未知的25塊也可能有類似的問題。
戴俊彪整合了整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的人力，分為五六個(gè)組，有的組負(fù)責(zé)在每個(gè)菌株中只將其中一個(gè)“磚塊”替換成人工的，以此核查問題，有的組負(fù)責(zé)將沒有問題的菌株合并在一起。
磚塊終于拼接成一條全人工合成的染色體，戴俊彪說他們第一次合成后的想法是“總算一條弄完了，管他這上面有什么問題也好，反正都拼完了”，就去華大基因測(cè)序，看看和野生型的序列相不相符。
分析完一看，“哇，一塌糊涂”。因?yàn)橥祽校庠从米鬏d體的DNA片段也摻和在酵母的染色體中，“嵌入了一些本來不應(yīng)該存在的”。還有一個(gè)問題是，有點(diǎn)片段重復(fù)了，本來是30kB長(zhǎng)的片段成了50kb。
“那時(shí)候又是一個(gè)巨大的打擊，”戴俊彪說，“一看過去，整條染色體完全沒法用。”
那就再推倒重來吧。他們找出了問題區(qū)域，針對(duì)性地重新構(gòu)建，重新拼接，“非常小心地避免掉了之前的問題”，最終拿到了想要的結(jié)果。
問及拿到理想的測(cè)序結(jié)果時(shí)是驚喜還是意料之中，戴俊彪說：“總算搞定了，總算完成了，這么一種感覺。不是說特別驚喜，只是說這個(gè)石頭終于放下來了。實(shí)驗(yàn)室小伙伴們的共同努力終于可以有了收獲。”
戴俊彪實(shí)驗(yàn)室全家福，2016年攝于清華園。圖片中間穿天藍(lán)色T恤的是戴俊彪。
目前，其他幾個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始借鑒戴俊彪團(tuán)隊(duì)的分級(jí)組裝方法。戴俊彪說，自己這個(gè)“痛苦了很久”總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)或可成為Sc2.0的標(biāo)準(zhǔn)。
為什么是中國團(tuán)隊(duì)完成了66.7%？
截至目前，Sc2.0已經(jīng)完成酵母16條染色體中的6條，中國團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成4條，占任務(wù)完成量的66.7%。Sc2.0項(xiàng)目有全球10個(gè)高校、200來名科學(xué)家參與。為什么是中國團(tuán)隊(duì)而不是其他國家率先完成？
作為親歷者，戴俊彪告訴澎湃新聞（www.thepaper.cn），在他看來，主要的原因是“我們的動(dòng)作快”，以及“我們國內(nèi)投入的人會(huì)更多”。
人工合成酵母染色體從一個(gè)實(shí)驗(yàn)室開始轉(zhuǎn)為國際項(xiàng)目，大約在2011年、2012年，Sc2.0項(xiàng)目依托于中國國家863計(jì)劃“合成生物技術(shù)”重大項(xiàng)目而起。戴俊彪說，時(shí)任科技部基礎(chǔ)司司長(zhǎng)張先恩“看到合成生物學(xué)的趨勢(shì)和方向”，推動(dòng)合成生物學(xué)的各個(gè)項(xiàng)目，為Sc2.0項(xiàng)目的正式開始奠定了基礎(chǔ)。2012年，張先恩還曾應(yīng)邀三國六方合成生物學(xué)國際會(huì)議，作了“中國合成生物學(xué)展望”的演講。
Sc2.0項(xiàng)目成立之初，每個(gè)團(tuán)隊(duì)會(huì)“認(rèn)領(lǐng)”各自的項(xiàng)目，避免重復(fù)。戴俊彪說，在2012年在北京召開的首次會(huì)議上，中國團(tuán)隊(duì)很快做了決定，安排資金和學(xué)生著手做這件事。但國外一些團(tuán)隊(duì)“說我們要干這個(gè)事情，但是我要先申請(qǐng)來這個(gè)錢，才能再干。所以他們都會(huì)有一個(gè)比較長(zhǎng)時(shí)間的。雖然說我要這條染色體，但真正開始做，中間差不多都有一年的時(shí)間。”
對(duì)于戴俊彪來說，2012年正是他回國，剛開始組建自己實(shí)驗(yàn)室的時(shí)期，受惠于比較充足的啟動(dòng)資金，他決定先將部分錢用于這個(gè)在他看來“挺有意思的項(xiàng)目”。
“我覺得這是一個(gè)很好的時(shí)機(jī)，剛成立自己的實(shí)驗(yàn)室，清華給了不錯(cuò)的支持。要是申錢來做的話，我到現(xiàn)在說不定還沒有開始做這件事。”戴俊彪說。
而在人力的投入上，令戴俊彪印象深刻的是一張另一個(gè)中國團(tuán)隊(duì)——天津大學(xué)元英進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)的照片：組了5個(gè)隊(duì)，每個(gè)隊(duì)有12個(gè)左右的學(xué)生，除了7個(gè)研究生和1個(gè)博士生之外，全是本科生。“他們拍的照片挺酷的，”戴俊彪說，他們有時(shí)候會(huì)開玩笑說，“是放了一個(gè)連的軍力上去，然后就把它做出來了。”
天津大學(xué)元英進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)。 Sc2.0官網(wǎng) 圖
但在國外其他團(tuán)隊(duì)，戴俊彪透露，一條染色體的合成可能交給一個(gè)研究生和博士生完成，這會(huì)讓“效率和速度非常非常慢”。
總結(jié)而言，戴俊彪說，“這是天時(shí)、地利、人和都有的時(shí)候，把它弄起來了。”
從本科生的“苦力”到機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)
人類基因組測(cè)序的成本已經(jīng)在近20年時(shí)間里，從30億美元降至1000美元。戴俊彪則見證了合成基因的成本從1美元每個(gè)堿基對(duì)，降至如今批量時(shí)2-5美分一個(gè)堿基對(duì)。
一個(gè)染色體少則幾十萬個(gè)堿基對(duì)，如果找商業(yè)公司合成，按照1美元每個(gè)堿基對(duì)，是一筆昂貴的科研成本。有意思的是，為了讓前期耗時(shí)耗錢的基礎(chǔ)工作有更好的處理方式，在戴俊彪還是博克的博士后時(shí)，博克在約翰·霍普金斯大學(xué)開設(shè)了一門名為“Build-A-Genome”的課程。只要有基礎(chǔ)生物學(xué)知識(shí)和操作技能，學(xué)生就可以選上這門課，每周15-20小時(shí)，合成750bp大小的DNA。
前期基礎(chǔ)而繁重的“工匠活”交給本科生完成，這樣的模式被認(rèn)為是一種一箭雙雕的方式。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室而言，只需要買來成本價(jià)僅為10美分的短鏈DNA片段，而人力成本是零。這比商業(yè)公司開出的價(jià)格單（1美元每對(duì)）要低得多。對(duì)于學(xué)生而言，在實(shí)踐操作的過程中學(xué)習(xí)合成生物學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，也能在整個(gè)Sc2.0項(xiàng)目中留下自己的痕跡。
2007年至2013年，有42位來自計(jì)算機(jī)專業(yè)、生物工程、化學(xué)與生物分子工程、生物物理學(xué)的本科生完成課程，他們的照片和簡(jiǎn)介出現(xiàn)在Sc2.0的網(wǎng)站上。
值得一提的是，這種模式也為全球其他高校所用，比如天津大學(xué)將“Build-A-Genome”的模式搬至國內(nèi)。此次，天津大學(xué)完成了酵母兩條染色體的合成，背后有參與這個(gè)課程的61位本科生和研究生，在近4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成了2-4kb長(zhǎng)的片段合成。
2013年，隨著商業(yè)化基因合成產(chǎn)業(yè)的成本日愈下降，“Build-A-Genome”課程開始做出調(diào)整，由組建750bp長(zhǎng)的DNA短鏈變?yōu)?kb長(zhǎng)的DNA短塊。
戴俊彪說，現(xiàn)在已經(jīng)不再依賴本科生的“苦力”，因?yàn)樯虡I(yè)化的成本甚至要更低。在他看來，可以預(yù)期的是，不久的將來，在談?wù)摶蚝铣傻膬r(jià)格時(shí)，不再是以一個(gè)堿基對(duì)為單位，而是一美元可以合成多少萬的堿基對(duì)。
如同基因測(cè)序成本的瀑布式下降依靠測(cè)序儀的進(jìn)化，基因合成成本下降也將受惠于自動(dòng)化生產(chǎn)和芯片研發(fā)。一個(gè)正在走進(jìn)現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景是，機(jī)械臂和機(jī)器人代替人力，控制芯片，自動(dòng)化地批量合成基因。
甚至，在戴俊彪看來，將來人類不再臨摹自然的“板書”基因，自己設(shè)計(jì)基因，也不是不可能。
合成基因大事表：
2010年，由美國遺傳學(xué)家Craig Venter團(tuán)隊(duì)完成第一個(gè)由合成基因組支持存活的原核生物；
2011年，美國生物學(xué)家Jef Boeke團(tuán)隊(duì)合成單細(xì)胞真核生物釀酒酵母第9號(hào)染色體的右臂和第6號(hào)染色體左臂；
2014年，美國生物學(xué)家Jef Boeke團(tuán)隊(duì)合成第一條真核生物染色體——釀酒酵母的第3號(hào)染色體；
2017年，美國、英國、中國學(xué)者合成釀酒酵母的第2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、10號(hào)、12號(hào)染色體。
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