覃重軍:把復雜生命變簡單

                          2018-08-20 18:29:45 來源: 中國科技網-科技日報 作者: 龔雨 王春
                          覃重軍,酵母,

                          覃重軍在觀察單染色體酵母的生長情況。楊正行攝

                          “照亮我前進道路并不斷給我勇氣去正視失敗的,是對科學的熱愛,對揭示生命世界奧秘的向往以及科學發現給我帶來的純真快樂……”

                          “只有像我這樣的‘外行’才敢去做,成千上萬和真核模式生物釀酒酵母打交道的科學家一定被這個大膽的想法嚇壞了。”今年53歲的覃重軍在轉述他人的玩笑話時,臉上露出了頑皮的笑容。

                          在很多研究酵母的專業人士眼里,中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所研究員覃重軍無疑是個“外行”。

                          覃重軍曾在原核鏈霉菌領域深耕了30年。在2013年之前,比起釀酒酵母,他的科研工作更多與鏈霉菌、大腸桿菌等原核生物相關。

                          但就是這個從未研究過真核生物的“外行”,用整整5年時間進行了一次奇幻冒險:用基因編輯的方法,將釀酒酵母中16條天然染色體合成為1條,創建出了國際首例人造單染色體真核細胞,實現“人造生命”里程碑式的重大突破。該成果于8月2日在線發表在《自然》雜志上。

                          “打破真核生物與原核生物間的‘隔閡’,把復雜生命變簡單。”這是覃重軍開啟“16合1”冒險之旅的初心。

                          置之死地,揮別過往開啟冒險之旅

                          2013年,對覃重軍來說,是“置之死地”的一年。

                          那年5月8日,覃重軍下決心進行一次大冒險,將目光瞄準了真核單細胞生物的模式材料——釀酒酵母。在此之前,覃重軍在自己的研究領域早已碩果累累。在學術上,他帶領團隊首次在粘細菌中發現質粒并建立遺傳操作系統,全世界有20多個實驗室來函索取質粒載體;同時他們對大腸桿菌的基因組進行了“刪減、重組、優化、合成”等操作,做了大量有益的探索。在產業化上,他的團隊與國內制藥企業合作改良了抗寄生蟲藥物多拉菌素,打破了國外在該領域的壟斷,藥品銷售額超過億元。

                          一位科學家放棄原來的研究內容,轉而開拓其他領域,這其中的難度不言而喻,而覃重軍偏要試一把。

                          告別過往榮光、重新開始,并不是他的心血來潮。他覺得,當時他和團隊正在研究的大腸桿菌基因組技術框架是由國外科學家提出來的,很難再有新的突破。這對覃重軍來說,是難以忍受的。

                          如何突圍?他決定把研究對象從原核生物大腸桿菌換成真核生物釀酒酵母,“因為人類就是真核生物,和人靠得越近,研究意義越大”。

                          自然界存在的生命體可分為真核生物和原核生物。真核生物細胞含有多條染色體,而且都呈線型結構,比如人類、小鼠、釀酒酵母等都是真核生物。原核生物細胞通常只含有1條染色體,而且是環型結構,比如大腸桿菌、破傷風菌等。

                          真核生物能否像原核生物一樣,用1條染色體來裝載所有遺傳物質?

                          “這是個只有外行才敢有的念頭,一開始沒有多少人覺得我能做出來,要走別人沒走過的路就需要冒險。”覃重軍說。

                          前途未卜,從科學偉人身上汲取力量

                          在覃重軍的辦公桌上,堆著厚厚一摞、近2000頁的A4紙。2013年至今近5年的時間里,他對于這一課題的思索、設計、修改都記在上面。紙上密密麻麻寫滿了字,有的還用紅筆標記出修改之處,每一頁內容都見證了過程的曲折。

                          這條路沒有人走過,更沒有可以借鑒的樣本,唯一能伴覃重軍前行的是對未知的好奇心。早在研究原核生物大腸桿菌時,他就曾寫過這樣一段話:“一個散步者的遐想:我叫大腸桿菌,如果可以被自上而下或自下而上地重構、模塊化、簡約化……甚至可以與其他生物形成雜合生命體——那我還叫大腸桿菌嗎?”

                          原來“天馬行空”的種子,早已在他心里發芽。

                          大膽猜想之后,更需要小心求證——他和團隊確定原則、精細設計、預備試驗、工程化高效而精準地實施。

                          覃重軍研究組隨機從釀酒酵母16條染色體中任意選了2條進行了融合。如此操作了8次,他們驚奇地發現——菌株的生長速率幾乎沒有發生變化。這意味著,雖然染色體數量減少,但酵母菌仍能順利存活、繁殖,生存能力幾乎未受影響。也就是說,原先的大膽猜想是有可能實現的。

                          在此基礎上,覃重軍與同事設計了人造酵母染色體的實驗總體方案。覃重軍的博士生邵洋洋從2013年開始嘗試并使用高效的染色體操作方法,歷經4年,通過15輪染色體融合,最終成功得到只有1條線型染色體的單細胞真核生物釀酒酵母菌株SY14。

                          做實驗的那段日子,他重溫了最愛的《愛因斯坦文集》《達爾文回憶錄》《巴斯德傳》,并在書上劃出令他“心有戚戚焉”的句子。與巴斯德、達爾文、愛因斯坦、牛頓等科學家對話,常能給“置之死地”的覃重軍“醍醐灌頂”的感覺。

                          面對質疑,用實驗數據回擊“百般刁難”

                          對覃重軍來說,維持研究團隊的運轉經費一直是件讓他感到頭疼的事。

                          多年來,覃重軍研究組的“赤字”數額超過300萬元。“我是所里最有名的經費‘負’翁,而且整整五年,我沒有發表一篇與酵母相關的論文,換在別的單位,或許早就讓卷鋪蓋走人了。”回想起這些年的艱苦經歷,他淡然一笑地說。

                          困難,自始至終都存在。論文投稿后,審稿人“百般刁難”。他們根本不相信中國科學家能將16條染色體合成為1條,比覃重軍團隊早兩個月投稿的美國科學家杰夫·博克團隊只能將16條染色體合成為2條,窮盡努力也沒能“合二為一”。杰夫·博克團隊和哈佛大學等權威審稿人最初甚至認為,從理論上推論兩條是最佳,也是唯一的選擇。因此,審稿人要求覃重軍研究組完整重復幾乎所有的實驗,并補充大量的額外實驗。

                          面對困境,覃重軍選擇迎難而上,“與時間賽跑”。覃重軍說,研究組成員和合作者耐心地重復了整個實驗,并進一步提升了實驗效率,整個實驗周期從6個月縮減到3個月,未來有望進一步縮短。

                          覃重軍曾在他的博士論文的后記中寫道:“在近1300頁的實驗記錄中,失敗何止百次!然而,沒有一次失敗能夠真正打垮我,為什么?照亮我前進道路并不斷給我勇氣去正視失敗的,是對科學的熱愛,對揭示生命世界奧秘的向往以及科學發現給我帶來的純真快樂……對我而言,科學是一條無窮無盡的探索之路,也許一生都會這樣干下去。”

                          不忘初心。年輕時的科學夢想,在20多年后的今天還在驅動覃重軍繼續他的探索之路。

                          人物檔案

                          覃重軍,生于1965年2月,籍貫湖南省邵陽市,現任中科院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所研究員、中科院合成生物學重點實驗室主任,主要研究領域為合成微生物學與生物制造。

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                          責任編輯:符雪苑
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