深圳先进院团队以酿酒酵母作底盘，为真核生命起源提供新思路

“人类是从哪里进化而来呢？”人类是一种真核生物，一直以来，科学家对于真核生命的起源的研究从未停止。

那么，古菌到底是真核生物的兄妹？或者是真核生物的父母？这是生命演化领域长期以来的争论，涉及三域假说及二域假说两种不同的观点，但结果却一直“悬而未定”。

DNA 大约能够在地球上存续几万年，从时间续存角度看，虽然蛋白质等生物大分子更长久一些，但也有限。

与二者不同的是，包括细胞膜脂在内的脂类是少数能存在亿年级别的生命物质。它需要通过合成生物学的方法在工程底盘中进行表达，进而看到分子。

例如近期热议的“复活猛犸象”概念，可基于基因演化的原理，通过生物信息的手段，做远古 DNA 序列方面的假设及推测。

近期，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）合成生物研究所司同课题组与南方科技大学海洋与工程系张传伦课题组合作，他们发现阿斯加德古菌生物合成通路在酵母中，合成的古菌膜脂分子中甘油-3-磷酸（sn-glycerol-3-phosphate，G3P）骨架的占比为 0.69%。

这意味着，阿斯加德古菌的细胞膜脂可能兼具甘油-1-磷酸（sn-glycerol-1-phosphate，G1P）和 G3P 两种手性，从而更倾向于二域假说——古菌是真核生物的父母，为真核生命起源提供了一种新的思路。

审稿人对该研究评价道：“这是代谢工程在回答进化问题方面很好的结合，它对脂质代谢的灵活性提供了一些非常好的见解。”另一位审稿人则评价称：“该研究尝试解决一个基本的生物学问题，即真核生物膜脂的起源。”

图丨相关论文（来源：Angewandte Chemie International Edition）

近日，相关论文以《工程酿酒酵母中具有古菌和真核生物特性的杂交中性脂质的生物合成》（Biosynthesis of Hybrid Neutral Lipids with Archaeal and Eukaryotic Characteristics in Engineered Saccharomyces cerevisiae）为题发表在 Angewandte Chemie International Edition 上[1]。

中国科学院深圳先进技术研究院张建志助理研究员为该论文的第一作者，司同研究员为通讯作者。

有望形成科学界对古菌能量储藏形式的新认知

从问题本质上来看，大部分的地球生命分子往往具有单一手性，例如 L 型氨基酸、D 型核苷酸。而唯一在地球上存在着两种相反手性的是细胞膜脂分子，分别存在于古菌和真核/细菌中。

回到核心的问题，想要揭示真核生命的起源、并精准地推测出 10-20 亿年前发生的事情，谈何容易呢？回顾生命演变的过程，只能像侦探那样通过现有的线索、证据和技术手段，推测以前的发生的事情。

对该团队来说，在研究中面临的第一个关键性挑战是需要构建出一个前所未有的模型进行相关推测。现在的一种假说是，如果真核细胞从古菌进化而来（古菌吞噬细菌，后者变成线粒体），相当于在演变过程中有一种过渡态。

那么，古菌的是否可能兼具 G1P 和 G3P 两种手性？这种过渡态又是否存在呢？

一种研究思路是，将古菌基因引入真核细胞中，以此观察手性相反的膜脂是不是能够在同一细胞中稳定地存在。司同指出，在以往的研究中，科学家在大肠杆菌里面做研究比在真核细胞如酵母中更容易，例如代谢工程让细胞生产异源的物质。

（来源：Angewandte Chemie International Edition）

值得关注的是，真核由于复杂的调控机制，其代谢网络与细菌相比更难被改造。该团队通过深圳合成生物研究重大科技基础设施（以下简称“合成生物大设施”），以酿酒酵母为底盘，第一次在真核细胞中实现古菌来源极性细胞膜脂的异源合成。

并且，在探索古菌膜脂是否能在真核里产生时，他们“意外”地发现了具备真核特征与古菌特征“双重特征”的杂合中性脂（unsaturated 1,2-di-O-phytanyl-sn-glycero-3-acyl fatty acid，DGGGO-FA）。

该团队在探究的过程中“意外”产生了 DGGGO-FA，而酵母仍然可以生长。从本质上来说，研究人员希望引入古菌基因合成细胞最外层的细胞膜，但他们却发现，其代谢中间体竟然大量地转化为一种自然界中不存在或尚未被发现的物质。

研究人员将新化合物的合成机制进行解析，利用生信分析和实验表征等方法，他们进一步得出新的结论：古菌或作为能量储存合成类三酰甘油分子。“这显然与以往的认知截然不同。”司同说。

于是，该团队继续推测，这也许是一种人造的假象，或有可能在进化的过程中原本就存在这样的物质。所以，他们首先解析了酵母如何合成物质的过程，然后再把关键合成酶拿出来做序列比对。

“我们发现，其实二酰基甘油酰基转移酶（diacylglycerol acyltransferases，DGAT） 同工酶在不管是古菌、细菌，还是真核细胞都广泛地存在。实际上，古菌中不仅存在这类酶，而且我们还通过实验验证了它可以合成 DGGGO-FA。”司同说。

图丨 DGAT 同工酶在细菌、真核及古菌域中广泛分布（来源：Angewandte Chemie International Edition）

一般来说，化学分析在有机合成前已有一个预期，然后通过搜索的方式来逐步确定。该团队面临的第二个挑战是，如何研究这种“未曾存在”的物质。据悉，这种物质最初在酵母底盘的产量非常低。所以，必须用系列的工程手段让它能在实验室条件下，非常高效地发挥作用。

基于此，在没有标准品的前提下，特别是获得新化合物时，必须把它能生产到足够的量。并且，需将其纯化后再用复杂的谱学手段，才能将其解析出来。

司同表示：“通过合成生物大设施，我们可以对每个变量进行大规模探求，系统性地将能预见的、经常容易出错的变量都考虑进来。随后进行大规模构建和分析，最终快速地得到最优解。”

该研究由深圳先进院司同课题组与南方科技大学张传伦课题组共同合作完成。其中，张传伦课题组根据古菌理论上可能产生膜脂的化学的形式，构建了一个模拟的质谱库。

科学家从古菌中挖掘了很多生物资源，包括用于聚合酶链式反应的耐热聚合酶、CRISPR 工具等，未来还有更多的未知资源值得继续探索。而合成生物学为探索古菌提供了一个做规模化开发的平台。据悉，该团队未来将在海洋古菌方向进一步深度探索。

下一步，该团队打算与代谢工程等方法融合，进一步将古菌膜脂异源合成效率提升。然后，针对膜脂手性对重要生命过程的影响，例如真核细胞生理、脂类亚细胞定位等，进行更深入地探索真核细胞膜脂起源以及相关演化的未解之谜。

通过分子手段做“时间旅行”

司同研究员为国家重点研发计划首席科学家，深圳合成生物研究重大科技基础设施总工艺师，其主要研究方向为自动化合成生物技术，依托深圳合成生物研究重大科技基础设施，采取数据驱动的设计-构建-测试-学习闭环研究范式，开展蛋白质工程、细胞工厂、天然产物等研究。

他在清华大学化生基科班本科毕业后，在美国伊利诺伊大学香槟分校化学与生物分子工程系完成了博士学位，师从赵惠民教授。之后，他在卡尔·R·沃斯基因组生物学研究所进行博士后训练。值得一提的是，卡尔·R·沃斯（Carl·R·Woese）基于分子手段首次发现了古菌。

图丨司同课题组（来源：司同）

司同认为，通过合成生物学的分子手段做“时间旅行”的方式，来追溯生命起源，对合成生物学者来说，既充满好奇心又十分有吸引力。

2019 年，他正式加入深圳先进院合成生物学研究所，并成立独立课题组。其实，这对先进院和司同来说是一种“相互选择”。

而作为深圳先进院副院长的刘陈立也对该方向高度关注，并对本次研究提出了原始的设计思路。他认为，用合成生物学手段来复活以前物种的人造生命体、或合成未来的人造生命体，正是合成生物学未来想实现的目标之一。

如何合成单细胞，让有机物成为真正的生命并实现自我复制？对于“生命的再起源”方向皆高度关注，这让他们的研究理念“不谋而合”。

“膜脂作为生命起源的重要部分，未来对它的研究必不可少。我希望在有生之年，能和合成所的同事们一起，真正地见证通过人工方式把生物大分子放在一起混合后，实现其自我复制，这也是很多合成生物学家较为终极的目标。”司同说。

另一方面，深圳先进院的资源设施也与司同博士期间的研究方向高度契合。博士期间，司同与团队搭建了世界第一个做合成生物实验的自动化平台，而深圳先进院彼时获得了 7 个亿设施建设资金的批复。这相当于将司同原来开创的平台升级以及扩大规模，因此一切变得“顺理成章”。

让工程学思想与生命科学进行“碰撞”

合成生物学为各个领域提供了一种新的技术手段以及新的工程思想。目前，深圳先进院以定量合成生物学为主要研究方向，也就是说，让生命实现可被理性地设计。

刘陈立此前曾表示，对于生命体的设计能力的不足，使很多应用和技术的发展受到限制。合成生物学领域的两大难点是“理性设计能力低”和“好用的生物元件少”。而解决问题的路径正是发展定量理论、开发平台性技术和建设大设施。

实际上，对生命的终极改造是 DNA 或大脑可以理性地改造自己。但是，目前理性设计由于其复杂性，仍面临诸多挑战。

一方面，由 DeepMind 开发的人工智能系统 AlphaFold 面对大量标准化的数据，与“黑箱”进行复杂生命规律的预测；另一方面，通过合成生物大设施构建自动化做合成生物学实验的平台，让其产生大规模、标准化、结构化的数据，供“黑箱”建模来预测相关设计。

司同表示，在“两步走”的过程中，新技术可能会找到更为低碳的能量物质生产方式，例如新医药、新日化产品等。

从目前合成生物学的生态来看，一方面，杜邦、巴斯夫、陶氏等传统的化工企业成功地进行了合成生物学转型；另一方面，虽然合成生物学公司一直在不断地推出新产品，但与此同时，将产品真正地落地放大量产仍存在一定的困难。

在司同看来，通过合成生物学上游开发出各种设备工具、原料等，是整个产业链中的一环。但要避免“拿着锤子找钉子”，这些工具在应用时，要面临各种下游市场的实际问题，例如产品接受度等。

他认为，从长远来看，以合成生物学进行传统已成熟的产品的工艺替代，是该领域的未来发展趋势。

因此，在政策引导、资本支持、产品战略定力、人才团队建设以及技术迭代进步等各个方面进行行业的垂直整合、打通产业链上下游，各方共同建设良好的产业生态是促进合成生物领域健康发展的关键。

那么，如何真正地实现打通合成生物学产业的上下游呢？打破各领域的认知边界，让工程学思想与生命科学的碰撞必不可少。

面对广阔市场的无限可能性，面对历史性的机遇与挑战，2022 年 12 月 28-29 日，第四届工程生物创新大会暨第二届中国合成生物学学术年会暨第一届亚洲合成生物学创新大会将在深圳光明科学城盛大启幕。

本次大会以“合成生物：未来生物经济的引擎”为主题，聚焦合成生物学颠覆性技术，探讨解决合成生物学政产学研资一体化问题，开拓合成生物资本市场，创建合成生物产业发展新基地，推动中国合成生物产业迈向国际舞台新征程。

届时，合成生物领域的主流科学家和青年学者、商业领袖及投资机构将齐聚一堂，围绕合成生物领域的技术创新、产业转化、资本应用等热点话题展开讨论、为推动中国与亚洲合成生物科学与产业发展贡献智慧和力量。

大会将围绕以下议题进行：工程生物“大家”说、合成生物新制造、合成生物新经济、合成生物的自动化和大设施、合成生物未来产业可持续发展等。（点击蓝色字体可查阅大会详细介绍：重塑现代医药的“尝百草”丨12月28-29日，第四届工程生物创新大会，一同打破认知边界！）

作为主办方之一的深圳理工大学（筹，以下简称“深理工”），依托中国科学院深圳先进技术研究院进行建设，正以高起点、高标准快速建设具有科教融合、产教融合特色的世界一流新型研究型大学。

目前，深理工已拥有海内外全职院士 13 人，国家级人才超 140 人，杰青、优青共 38 人；62 人入选全球前 2% 科学家榜单；拥有中科院和省市级人才超 1000 人次，海归超 900 人。首批设置的六大学院已初具规模，通过建立学院、书院、研究院“三院一体”的育人组织架构，形成“文化素养、关键能力、知识体系”三维人才培养体系，着力培养兼具科学家精神和企业家梦想的国际化、创新型、复合型高层次拔尖创新人才，为粤港澳大湾区建设乃至全国发展提供强大的人才支撑。

作为协办单位，DeepTech 将共同参与本次大会的组织筹备工作。DeepTech 作为一家专注新兴科技的资源赋能与服务机构，始终以“构建全球创新合作网络”为使命，致力于加速科技成果转化、促进科技生产效率。

参考资料：

1.Jiangzhi Zhang et al.Angewandte Chemie International Edition (2022). https://doi.org/10.1002/anie.202214344