最近我们的“大国科技范”系列文章已经带大家了解了探海神器、嫦娥系列月球探测卫星和“鹊桥”中继卫星，今天我们将走进生物学领域，了解我国科学家在生物学领域的一个重大突破！
年8月1日，新华社报道了中国研究团队合成出全球首例只有1条染色体的“简版”酵母菌株，研究成果还在线发表在了英国《自然》杂志的新闻。
合成出全球首例只有1条染色体的“简版”酵母菌株是中国生物学界的大事，是中国在合成生物学领域的一个重要贡献和重大突破。
下面我们就一起回顾一下中国科学家合成单染色体酵母的历程吧！
咦？什么是染色体？
大家都知道，支持生命基本构造与性能的基因通常是一小段DNA片段，而这些一小段、一小段的DNA片段联合在一起就形成了DNA长链。每个生命细胞内都会存有DNA的一份拷贝，来指导细胞的生命过程。
较为复杂的动物、植物、真菌等细胞中具有真正细胞核的真核生物，往往具有成千上万个基因，这会导致DNA链特别地细长。
以人类为例，DNA加起来总长度接近2米，是DNA链宽度的万倍。为了防止出现打结、损伤等意外，同时也便于存储，真核生物细胞核里DNA长链常常缠绕在蛋白骨架上，并组成一种纤维状物质。
由于这些物质能被碱性染料染色，因此生物学家们称它们为染色质。染色质实际上是真核生物遗传物质的常态存储形式。
当真核细胞处于细胞分裂的时期，或许是出于搬运方便以及防止受损，染色质会被进一步地压缩，和一些支撑蛋白一起被打包，形成一个包装结构，生物学家便将这个时期显微镜下容易被观察到的染色质称之为染色体。
DNA在真核细胞中的位置真核生物的细胞中往往不只一条染色体。不同物种的染色体数目差别还很巨大。我们人类一般有46条染色体，但是我们人类的近亲们——黑猩猩、大猩猩、倭黑猩猩却有48条染色体。
人类一般是22对44条常染色体和一对两条喵主子有38条染色体，汪主子有78条染色体。宠物金鱼有~条染色体。小小的翠鸟居然会有染色体，而有些蝴蝶竟然具有条以上的染色体！
当然也有一些另类，比如澳大利亚的杰克跳蚁（Myrmeciapilosula），蚁后、工蚁都是两条染色体，雄蚁却只剩下一条染色体。
杰克跳蚁雄蚁相对来说，细胞中还不具有真正细胞核的原核生物就简单多了。大多原核生物一般只有1条简单的染色体。如细菌，因为DNA分子链比较短，因此往往直接首尾相连形成一个环。
原核细胞环状染色体复制疑问与挑战
为什么真核生物会有多条不同的染色体呢？特定物种具有特定的染色体数量是不是能提供某种优势？
以人类为例，如果染色体发生变化，多一条少一条都会出现严重遗传性疾病问题。比如著名的唐氏综合症中，是多了一份21号染色体；而爱德华兹综合征，是多了18号染色体；但是少了一条性染色体，则会发生特纳综合征。
不过，通过人类和黑猩猩的染色体对比，生物学家们又注意到一个现象——人类的2号染色体是黑猩猩的两条染色体（2A、2B）融合而成的。
人类染色体与黑猩猩染色体对比（单倍体既然真核生物在不丢失基因的情况下可以减少染色体的数量，那么能不能也能像原核生物一样，将所有基因装在一条染色体上并实现正常的细胞功能呢？
如果真能合而为一，就意味着自然生命的界限可以被人为打破，生命形式可以人工改造化繁为简，甚至可以人工创造全新的自然界不存在的生命。
这些疑问，事关生命本质，也激起了中国科学院上海植物生理研究所的年轻学者覃重军的好奇心。
覃重军（右）与团队核心成员邵洋洋“是否可以人造一个含有单条染色体的真核生物，使其具备正常的细胞功能？”覃重军带着疑问，在中科院的支持下，于年创建了自己的研究团队，开始了艰难的探索。原本长期是做原核生物链霉菌的覃重军，现在开始重新选择实现对象——酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）。
酿酒酵母之所以选择酵母，是因为它是研究最深入的真核生物模型生物之一，也是第一个完成基因组测序的真核生物。
酿酒酵母体积小，又容易培养，而且培养很短的时间就能数量翻倍。
重要的是，通过测序发现，酿酒酵母具有16条染色体，个基因，大约有个是真正具有功能的，据估计其约有31%的基因是与人类同源。酿酒酵母虽然拥有动物、植物细胞的很多相同的结构，但是却没有可能扰乱研究的高等真核生物常见的非编码DNA。
几乎与此同时，美国的知名学者JefD.Boeke的一个团队也选择了酿酒酵母并开展了同样的研究工作。
与时间赛跑
留给覃重军的时间不多了，怎么办呢？只能抓紧时间研究，与时间赛跑了。
染色体融合，乍看之下好像是随机组合——先导实验显示，8对染色体随机融合都能成功，获得的菌株和野生型一样生长强劲。但最终却像在玩填字游戏，如果开始拼错了，只有走到最后才会发现，无法完成整个游戏。
有时科研工作也是需要点运气的。
覃重军团队第一轮将酿酒酵母的十六条染色体两两相连，它们分别是：7-8号、13-12号、1-2号、6-14、16-5号、9-10号、3-4号、15-11号（注：这里将酿酒酵母染色体标号由罗马数字简写成阿拉伯数字，以方便读者阅读）。现在酿酒酵母只有8条染色体了。
第二轮，研究团队再次将剩余的染色体进行两两融合，得到16-5-6-14号、7-8-9-10号、1-2-3-4号、13-12-15-11号一共四条染色体。
第三轮，研究团队继续将剩余的染色体进行两两融合，现在只剩下1-2-3-4-7-8-9-10和16-5-6-14-13-12-15-11两条染色体了。
第四轮，激动人心的时刻到了，研究团队再次通过两两融合，得到了一条长长的16-5-6-14-13-12-15-11-1-2-3-4-7-8-9-10染色体。
研究团队历经4年时间的磨练，终于得到了一个理想的答案。接下来的工作就是进一步与合作伙伴一起，深入鉴定单染色体酵母的代谢、生理和繁殖功能，以及重建单染色体的三维结构。最终，确认单染色体酵母具有正常的细胞功能。
覃重军团队菌株染色体融合路线图不过覃重军团队只是初步取得了胜利。
论文投稿后，《Nature》杂志的审稿人绝不相信中国科学家能完成将酵母染色体16合1的工作，因为两个月前JefD.Boeke团队也提交了类似论文。
大洋彼岸，JefD.Boeke团队也在努力的尝试着融合工作。首先是将较小的7条染色体融合成3条。随后进一步延长，减少至8条染色体。第三轮融合后剩下4条。第四轮融合后菌株的染色体只剩下2条。
当进行最后一步二合一时，融合工作出现了问题。虽然进行了多种尝试，他们始终无法获得仅有1条染色体且能比较正常存活的细胞。
因此，JefD.Boeke团队和《Nature》杂志的权威审稿人一致认为，两条染色体才是理论上的唯一最佳选择。审稿人甚至要求覃重军团队必须完整重复几乎所有的实验，并补充大量的额外实验。
覃重军团队不得不耐心地按审稿人的要求重复了整个实验，但是顺便将整个实验周期从6个月优化至3个月。
辛勤的付出终于得到JefD.Boeke团队和审稿人的认可，覃重军团队的文章在美国时间年8月1日（北京时间8月2日凌晨）发表在《Nature》杂志上，JefD.Boeke本人在社交媒体上对覃重军团队表达了赞扬。
这项完全由中国科学家独立完成的工作，第一次在实验室中创造了单染色体真核生物。体现出中国科学家在创新性、前瞻性以及工作细致程度相比于国外的团队来说已经处于领先水平。
单染色体酵母本身，不仅证明了单条染色体的真核生物是可以存活的，同时也证明真核系统多染色体的存在意义与细胞的核心功能关联不是很大。
同野生型相比对，虽然单染色体酵母染色体三维结构发生了巨大改变，但对于酵母全局的基因转录影响却几乎可以忽略。这挑战了以往对染色体三维结构的研究领域认知，颠覆了以往的染色体高级结构决定决定论，暗示了应该是染色质的高级结构更多的决定基因时空表达。
端粒是生命科学研究的重要方向，相关研究曾多次获得诺贝尔奖。这次培养出的单染色体酵母被简化成只有两个端粒，大大减少相关研究中的干扰，这对研究细胞凋亡有着重大意义。可以预见，未来会出现更多衰老、癌症等的科研成果。
在医学方向上，也有相关的指示性意义。前面提到人类很多遗传性疾病是染色体增多、缺少，亦或者染色体受到了损伤。如果我们能将用于酿酒酵母染色体的剪辑技术进一步优化，达到准确删除多余的染色体或者替换受损的染色体，就可以达到一劳永逸的治疗效果，解决病人的痛苦。
另外，单染色体酵母同野生型相比，在环境适应力、竞争力、配子产量和生存力等方面有所降低。这些缺陷也揭示出真核生物在漫长的演化过程中，形成多染色体在生存上则会有竞争优势。
总之，天然复杂的酵母生命体系通过人工干预变得简约，是继原核细菌“人造生命”之后合成生物学的一个里程碑意义的重大突破。
科学技术在不断进步，或许不用多久，人类就会创造出自然界完全不存在的全新生命。