演化生物學家Stephen Jay Gould曾經思索：如果將生命演化的歷程像磁帶一樣倒帶并重新播放，那將會發生什么呢？通過從零開始再造染色體，合成生物學家檢驗了古爾德的部分設想。他們在酵母中加入了人工合成的染色體，并觀察經過改造的生物體是否還能正常發揮功能。
根據3月9日發表在《科學》期刊上的七篇論文的結論，答案是能。這些論文描述了五條再造酵母染色體的合成、檢測和改進過程。加上另一個先前合成的染色體，這六條染色體占釀酒酵母基因組的三分之一以上。一個由超過200位研究者組成的國際研究聯合體合成了這些染色體，預計將在今年年底前構建出完全合成的完整酵母基因組。
團隊目前實現的成果或將有助于優化微生物的構建，促進生產酒精、藥物、香精或燃料，且為有關基因組演化和功能發揮的后續研究提供了指導。
美國Amyris生物技術公司的聯合創始人Jack Newman表示：“令人驚奇的是，這些研究者知道如何在設計-構建-測試-學習周期中對基因組進行調整，而不僅僅是合成基因組。”他補充說，研究者采用了類似于計算機科學家在試圖理解十年前編寫的代碼時會使用的方法，但現在面對的是經歷了數百萬年演化的基因組，要完成這項任務更加困難。酵母起源于5000多萬年前，酵母屬（Saccharomyces）在這一時期從其他真菌中分出來。
基本組成
2010年，遺傳學家Craig Venter和他的團隊公布了首個合成基因組：絲狀支原體（Mycoplasma mycoides，一種寄生細菌的原核生物）基因組的一個精簡版。四年后，一支由紐約大學朗格尼醫學中心的酵母遺傳學家Jef Boeke領導的團隊合成了一個酵母染色體——酵母屬于更為復雜的真核生物，植物、蠕蟲和人類也屬于真核生物。
Venter的目標是合成出能維持生命的最小基因組，但Boeke想要探索的則是有關演化的基礎問題，比如酵母菌能否通過其它途徑演化出來。他把這一問題轉化成了一個可以通過合成生物學方法驗證的假說：要讓生物體仍能正常運行，人們最多能對基因組進行多少改動？
為了尋找答案，Boeke將釀酒酵母的16個染色體分配給了各個合作者團隊，他們分別來自美國、英國、中國、新加坡和澳大利亞等國家。每個團隊都需要構建出一個穩定、可演化，且能保證酵母正常運行的染色體。
團隊使用了計算機程序來設計各自分配到的染色體的遺傳編碼。他們刪除了天然酵母染色體中的一些序列，比如基因組中的重復部分，希望能增強合成基因組的穩定性，并在合成的染色體中加入了一個模仿隨機變異的機制，以驅動演化。這個加擾系統被觸發時，就能隨機重組、復制和刪除基因。
巴黎巴斯德研究院研究人員領導的團隊記錄下了合成酵母細胞核中劇烈的結構變化——與此同時，合成酵母菌仍在茁壯生長：生產蛋白質和繁殖。Boeke表示：“看起來，就算我們無所不用其極地‘折磨’酵母基因組，酵母往往還是會毫不在乎地正常生長。”
未來計劃
聯合體中的一些團隊開發出了能快速識別合成染色體中的錯誤的技術。而天津大學的研究者領導的團隊則優化了去除染色體遺傳序列中錯誤的方法，其中一個方法用到了CRISPR-Cas9基因編輯工具。
“他們在該染色體中合成了536,024個堿基對，但只用CRISPR處理了其中的45個，這一點是令人耳目一新的，”哈佛大學的遺傳學家George Church說，“這讓人感覺這項技術也許是生物學領域的下一個重大突破。”
他表示，基因組合成不太可能取代CRISPR這樣的工具——CRISPR使科學家得以在生物體中添加或刪除有限數量的基因；但在需要復雜遺傳變化的應用中，基因組合成可能會更受青睞。這些應用包括構建出能生產香精和其它材料的酵母和其它微生物。舉例來說，依賴于這些微生物的制造商可以使用合成基因組方法來增強它們對有害病毒的抵抗力。
“如果重新編碼這些[微生物]菌株，然后再把它們放回去，病毒就拿它們毫無辦法了，”Church說。“這就像是穿越回到中世紀，把氫彈給一個國家。”
一些團隊已經開始合成大腸桿菌等物種的基因組以及人類的基因組了。Boeke有信心在年底前構建出一個完全合成的酵母基因組。他的團隊已經合成出了其它一些染色體，正在對它們進行糾錯和檢測。
這一團隊的最新成果將會激勵其他研究者心懷遠大。Church說：“（Boeke團隊的研究者）已經在遺傳編碼中引發了巨大的改變，這能激勵其他科學家更進一步。”
