1.5.1　合成能力飛速發(fā)展

人工基因組合成是指在工程學(xué)思想的指導(dǎo)下，借助計(jì)算機(jī)工具設(shè)計(jì)具有特定功能的人工基因組，并利用 DNA 從頭合成和模塊化組裝技術(shù)構(gòu)建人工設(shè)計(jì)基因組，使其實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。2002年，紐約州立大學(xué)石溪分校的Eckard Wimmer通過化學(xué)合成病毒基因組獲得了具有感染性的脊髓灰質(zhì)炎病毒，這是人類歷史上首個(gè)人工合成的生命體；2008年，美國Craig Venter研究所合成了5.8×105個(gè)堿基對(duì)的生殖道支原體全基因組，首次實(shí)現(xiàn)了人工合成微生物基因組；2010年，美國Craig Venter研究所宣布了首個(gè)“人工合成基因組細(xì)胞（JCVI-syn1.0）”的誕生，其設(shè)計(jì)、合成和組裝了1.08Mb的支原體基因組，并將其移植到山羊支原體受體細(xì)胞中，產(chǎn)生了僅由合成染色體控制的支原體細(xì)胞，這標(biāo)志著人工合成基因組實(shí)現(xiàn)了對(duì)生命活動(dòng)的調(diào)控。這項(xiàng)工作在科學(xué)界引起了巨大反響，使“合成生物學(xué)”進(jìn)入了大眾的視野。2012年，美國約翰·霍普金斯大學(xué)開始著手酵母染色體人工版本（Synthetic Yeast Genome Project，Sc2.0）的合成，這是首次挑戰(zhàn)真核細(xì)胞基因組的合成，該項(xiàng)目由美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機(jī)構(gòu)參與并分工協(xié)作。Sc2.0旨在設(shè)計(jì)和完全化學(xué)合成16條染色體，這些染色體包含來自啤酒酵母的1250萬個(gè)堿基和一個(gè)帶有所有 tRNA 基因的“新染色體”，刪除了轉(zhuǎn)座子、內(nèi)含子等非必需遺傳元件，人工酵母基因組序列精簡(jiǎn)了6%。該項(xiàng)目不僅為真核染色體的系統(tǒng)研究提供了一個(gè)平臺(tái)，還通過其“從構(gòu)建到理解”的過程擴(kuò)展了生物學(xué)知識(shí)的范圍。目前，人工合成基因組生物已涵蓋了病毒、原核生物和真核生物，預(yù)定特性的人造細(xì)胞已悄然實(shí)現(xiàn)，這是生命體系從自然發(fā)生到人工產(chǎn)生的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

近年來，人工基因組合成不斷取得突破性技術(shù)進(jìn)展。最小基因組的合成不但增進(jìn)了人類對(duì)細(xì)胞行為和機(jī)制的理解，也為科學(xué)研究和生物制造產(chǎn)業(yè)提供了優(yōu)質(zhì)的底盤細(xì)胞；密碼子擴(kuò)展和非天然氨基酸技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了全新生命體的創(chuàng)建，拓展了人工基因組合成新策略和形式。2011年，利用多重自動(dòng)基因組工程在32個(gè)大腸桿菌菌株中完成了同義終止密碼子替換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腸桿菌基因組314 個(gè)TAG到TAA終止密碼子的轉(zhuǎn)換。2014年，美國科研人員設(shè)計(jì)合成了一個(gè)非天然堿基配對(duì), 并將它們整合到大腸桿菌基因組，首次擴(kuò)展了生命遺傳密碼，使未來的生命形式有無限可能。2016年，美國Craig Venter研究所合成了最小支原體基因組JCVI-syn 3.0，精簡(jiǎn)了大量非必需基因和半必需基因，使其僅含有473個(gè)基因，基因組大小為531000個(gè)堿基對(duì)，這種細(xì)菌具有已知生物體中規(guī)模最小的基因組。2018年，我國研究人員將單細(xì)胞真核生物釀酒酵母的16條天然染色體人工創(chuàng)建為具有完整功能的單條染色體，構(gòu)建出世界首例人造單染色體真核細(xì)胞，為利用極簡(jiǎn)生命形式理解染色體進(jìn)化、研究生命本質(zhì)開辟了新方向；2019年，美國研究人員將4種合成核苷酸與4種天然核苷酸組合，構(gòu)建出由8種核苷酸組成的DNA，這些DNA分子的形狀和行為都具有一定的可行性，可以轉(zhuǎn)錄為RNA，極大地?cái)U(kuò)展了核酸儲(chǔ)存的信息密度等；同年，精簡(jiǎn)了絲氨酸密碼子TCG、TCA和終止密碼子TAG，完成了大腸桿菌基因組1.8萬個(gè)密碼子的轉(zhuǎn)換，構(gòu)建了僅有61個(gè)密碼子的大腸桿菌基因組。