从头合成染色体包含大量 DNA 片段合成和组装，成本高昂且耗时，这一定程度上影响了其在科学研究和生物技术中的应用。
从天然 DNA 的克隆片段构建合成染色体是一种相对便宜且快速从头合成染色体的潜在方案。近日，来自美国南加州大学多恩西夫分校的科学家们开发了一种新型的 DNA 组装工艺——CReATiNG（Cloning Reprogramming and Assembling Tiled Natural Genomic DNA，克隆、重编程和组装天然基因组 DNA），这为从头合成染色体提供了一种更简洁、快速且更经济的方法。相关研究已于近日发表在Nature Communications上。
本研究的第一作者是安捷伦博士后研究员 Alessandro Coradini 博士，通讯作者是南加州大学多恩西夫分校生物学教授Ian Ehrenreich，他的研究方向是基于遗传学、分子系统生物学和合成基因组学技术研究基因组如何编码生物体表型。
研究人员在新闻稿中指出，这是一项突破性的技术，为合成生物学领域增添了一种强大的多功能工具，可能会改变合成生物学领域。该技术将显著推进基因工程、医学、生物技术、生物燃料甚至太空探索领域的进步。
DNA 的合成和编辑是合成生物学领域重要的基础技术。根据Ian Ehrenreich的描述，合成基因组学涵盖了合成生物体的整个染色体或整个基因组。现阶段，大多数合成基因组学研究主要使用化学合成的 DNA 片段从头开始构建染色体或基因组，这是一项繁重的工作，需要大量的操作，费时费力。然而，领域内尚缺乏更合理有效的其他方法。
在此背景下，Ian Ehrenreich研究团队提出了使用天然 DNA 片段组装整个染色体的开始这一想法，并基于这一想法开发出了一种 DNA 组装工具 CReATiNG，即克隆，重编程和组装天然基因组 DNA。
▲图 利用 CReATiNG 基于酵母 DNA 合成染色体（来源：上述论文）
这是一种利用酿酒酵母天然 DNA 构建合成染色体的方法。该方法的原理是通过克隆和重新组装酵母中的天然 DNA 片段，创造出可以取代细胞中天然染色体的合成染色体。使用这项技术，研究人员可以组合不同酵母菌株和种类之间的染色体，改变染色体结构，并同时删除多个基因。
具体而言，CReATiNG 的第一步是克隆天然染色体片段，将独特的接头序列（adapter）添加到其末端，指定这些分子在组装后如何相互重组；第二步是将克隆片段共转化到细胞中，并通过体内同源重组进行组装这些片段。
论文中指出，利用 CReATiNG 生成的合成染色体可以实现替代细胞中天然染色体的效果，这使得直接测试染色体表型成为可能。
在论文中，研究人员使用 CReATiNG 合成重组不同菌株和物种之间的染色体，修改染色体结构，并删除了染色体序列中许多连接、不相邻的区域（linked, non-adjacent regions），总计占到染色体的 39%。
▲图｜利用 CReATiNG 方法重组菌株和菌种之间的染色体（来源：上述论文）
通过这一系列试验，研究人员证明了该工具有潜力促进染色体合成在各种生物学问题中的应用，包括研究遗传学、基因组学和进化中的各种基本问题。
需要说明的一点是，该研究团队在本研究中的大部分工作只是涉及到了简单的合成染色体设计，其中仅组装了三个 DNA 片段。而实际上，研究团队表示，CReATiNG 可用于构建包含≥10 个片段且经过复杂设计的合成染色体。使用 CReATiNG 制造复杂的合成染色体可能会带来更重要的生物学发现。
而删除多个基因的试验则表明，CReATiNG 还可以通过合成染色体与其天然对应染色体之间的重组修复合成染色体设计中的缺陷。
“该方法是对现有技术的重大改进。通过 CReATiNG，我们能够以此前认为无法完成的复杂方式重新编程生物体基因。这为合成生物学开辟了更多可能，增强了我们对生命的基本理解，并为未来突破性的应用铺平了道路。”Ian Ehrenreich说。
研究人员在新闻稿中也具体介绍了该方法的应用方向。“CReATiNG 在生物技术和医学等领域会有极大潜力，可以提高药品和生物燃料的生产效率，帮助开发癌症等疾病的细胞疗法，并为环境生物（environmental bioremediation）修复方法铺平道路，甚至还可以用于开发能够在空间站或长途太空旅行中繁衍生息的微生物或植物。”
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