酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为模式生物，其基因组人工合成与重构技术正推动合成生物学进入新阶段。科学家们近期对酵母基因组进行了大规模修饰，旨在提升其稳定性、可操作性和演变潜力。值得关注的是，这些部分天然、部分人工合成的酵母细胞在生理功能和繁殖性能方面未出现明显不良反应，显示出极高的工程可行性。

酿酒酵母是全球研究最深入的生物系统之一，但其内部功能的复杂性仍为生物工程学家带来挑战。通过对模式生物基因组进行重新编码和简化，科学家希望建立更易于理解和修饰的生物平台，从而推动相关科学技术与生物产业的发展。

2011年9月，《Nature》杂志报道了Dymond等人的突破性成果：他们成功构建了功能性且部分人工合成的酿酒酵母基因组。此前，合成生物学一直以基因组重写为目标，但高昂的成本和技术难度限制了大规模应用。值得注意的前例包括病毒基因组大规模重构、大肠杆菌终止密码子的移除，以及支原体基因组的全合成并注入活细胞。

Dymond团队首次将人工合成DNA应用于真核生物，具体替代了酿酒酵母染色体IX末端的90,000个碱基和染色体VI末端的30,000个碱基。他们的终极目标是用人工序列替代酵母全部1200万个碱基对的基因组。

在操作过程中，研究人员移除了天然酵母染色体中的20个区域，这些区域多为重复或冗余序列。每个重编码基因都添加了500个碱基的“水印”，便于区分合成DNA与天然序列，同时不影响蛋白质编码。类似于大肠杆菌的基因组改造，酵母DNA中的“琥珀”终止密码子也被修改，为未来插入非天然氨基酸提供可能。

实验结果显示，修饰后的酵母细胞与野生型菌株在生长和基因表达方面差异极小，人工DNA序列能够稳定复制，证明了工程方法的可靠性。

此外，研究人员在合成DNA的非必需基因后及其他位置引入了loxPsym位点，通过Cre重组酶实现随机重组，建立了庞大的基因组库。该库可筛选出更适应特定环境的新菌株，未来有望应用于酒精、蛋白质及高价值有机化合物的工业生产。

尽管目前人工合成序列仅占酵母基因组约1%，全面重建仍面临巨大挑战。DNA合成成本虽持续下降，但劳动力和技术需求依然高昂。Dymond的工作凸显了自动化DNA合成与组装技术的迫切需求，未来基因组全合成有望取代传统的局部修饰方法，推动基因组设计时代的到来。

*数据是根据以下公式计算：合成的全部碱基数/（作者人数×3），估计每个人花费在基因合成项目上的平均时间是3年。†这个数据要看到底是整个基因组参与计算，还是仅合成的寡核苷酸参与计算决定。

参考文献：
PETER J. ENYEART & ANDREW D. ELLINGTON. (2011) A yeast for all reasons. Nature, 477: 413-414.
小芳/编译