原标题:2019年，《生物进步赋予人类“超级力量”
人类胚胎体外模拟着床生长过程(第6-12天)
照片来源:北京大学生命科学学院官方网站
草地夜蛾入侵。中国科学家在25天内快速测序基因组并确认其来源
照片来源:官方网站
中国农业科学院基因编辑艾滋病“功能疗法”照片来源:官方网站
照片来源:北京大学生命科学学院官方网站
为了理解生物技术，大多数人开始或仍然停留在人类基因组计划(HGP)对人类基因组的解码上。接下来的2020年是这个项目的30周年。
HGP是一个早期阶段，人们可以在这个阶段探索生命中大分子层面发生的事情。在HGP之后的30年里，人们掌握的生物技术已经从“钻木取火”阶段迈进到声、光、电、磁、核等相互合作验证的“超级大国”。
在生命之书里，有许多奇怪的分子、各种器官和复杂的机制.首先，它们被一点一点地绘制，然后它们被一点一点地显示出来。最精致和精彩的机器轰鸣声来自猜测，间接证明能够直接显示在人类的视野中。
与此同时，人类正在获得越来越多的能量，从编辑单一的基础和单一的功能组到人工重建生命.
然而，学术界已经给出了“变化不大”的评论。12月19日，在中国最高医疗机构——中国医学科学院的“用心演讲厅”，中国工程院院士、北京大学第三医院院长巧姐表示，2019年是《《自然·医学》》发表25年后。当被邀请对过去25年生物技术的进步发表看法时，科学家们一个接一个地说:25年太短了，变化不大。精密医学仍在发展中…
你知道得越多，无知的边界就越大。从这个角度来看，生物技术进步的评价也是一个哲学问题。
1
追问生命的最初，人类胚胎着床过程首次被解析
专家点评：
随着单细胞测序技术的成熟和精度越来越高，科学家们无疑最关心受精卵“从哪里来”和人类生命起源的“去哪里”。
《自然》年8月22日杂志公布了北京大学唐福娇和巧姐联合研究的最新突破。他们在人类历史上首次通过模拟人工受精卵的体外植入和使用高精度单细胞测序技术分析了人类胚胎的植入过程。该团队逐一解释了6-12天胚胎细胞组中的所有单细胞，重建了转录组和脱氧核糖核酸甲基化组的动态变化过程，再现了人类胚胎植入过程中细胞中发生的“故事”，为每个细胞做了“记录”，并集合成对生命最初调控网络的理解。
12天后会发生什么？由于伦理限制，人类胚胎不能在体外培养超过14天。科学家转向与人类相似的非人灵长类动物进行进一步研究。
借助多年深耕建立的非人灵长类胚胎体外培养体系，中国科学院动物研究所等单位的研究人员将受精卵的研究推进到受精后20天，体外复制非人灵长类胚胎的原肠运动。
研究发现，在体外胚胎发育的第12天至第16天可以观察到原始生殖细胞，这在体外培养人类胚胎之前是没有观察到的。结合单细胞转录组测序分析，本研究首次提供了灵长类动物早期胚胎发育过程中羊膜细胞的基因表达特征，并重新定义了灵长类动物早期胚胎的各种细胞类型。这项研究发表在10月31日的杂志《科学》上。
相比之下，啮齿动物的生活最初并不受材料的限制。8月8日，《自然》杂志发表了一幅高精度细胞“生长轨迹”的三维图，该图由数位科学家成功绘制，如分子细胞科学卓越中心(我
2
精细绘图可以传递更多的信息，例如，卵细胞和精子之间不同的相互作用时间决定了生殖过程中生殖细胞异常的不同概率。它能使人们分析真正影响下一代的遗传信息，从而指导诊断和治疗。
——巧姐院士
从头再造一个生命，国家合成生物技术创新中心开建
专家点评：
11月11日，科技部通过官方网站宣布原则上同意《国家合成生物技术创新中心建设方案》。该中心由中国科学院天津工业生物研究所领导建设。其目标是突破中国医药、食品、石化等行业的技术瓶颈，抢占全球生物技术和产业发展的制高点，促进社会绿色和可持续发展。
人才引进和梯队建设无疑是合成生物学的“先头部队”。12月16日，中国科学院天津工业生物技术研究所发布招聘信息，其体外合成生物学中心招聘2名博士后。
为了达到“突破工业酶和核心菌株自主构建和工程应用的技术瓶颈，引领未来生物制造新技术路径的构建”的目标，迫切需要原创性基础研究。
2018年，中国科学家团队在酵母重组领域发表了许多突破性论文。酵母等生物体的染色体可以根据预设的目的进行调整，这不会影响它们的生命过程，但也能有效地实现目标。天津大学副校长袁金英荣获2019年医学明康德生物化学奖杰出成就奖。他的团队不仅精确控制了合成单倍体和二倍体酵母的基因组重排，还创造了单融合染色体酵母。
通过“与门”开关的设计和多轮迭代基因组重排技术结合酵母细胞生活史的开发，经过5轮迭代重排，实验证明细胞工厂产品胡萝卜素产量可提高38.8倍。相关技术可以大大加快生产菌株的快速进化，分析基因组结构变异与功能发现的关系，提高能源药物化学品的生产和合成。
3
我们对合成生物学的探索将不仅仅是人工基因组的化学合成和重建，还将走向自动化和智能化。最近，我们成功地用合成的脱氧核糖核酸储存了一段视频，并读取了其中的信息。未来，合成脱氧核糖核酸(synthetic DNA)作为信息存储和阅读的媒介，将为更多跨学科的学科带来发展机遇，并为研发提供灵感和方向。
——元天津大学副校长金英
草地贪夜蛾入侵中国，全基因组测序响应突发事件
专家点评：
2019年1月，斜纹夜蛾从东南亚入侵中国云南和广西两省，受害粮食产区超过200万亩。草地夜蛾的繁殖能力是常见害虫的2-5倍，迁移能力极强。“它每晚能飞100公里……”这种情况迫使与草地夜蛾的斗争包括时间战。为了避免危及食品生产的安全，有必要通过基因组学和其他方法加深对该物种的了解，并预防和控制其根源。
草地夜蛾的入侵使得整个基因组测序跟上了突发事件的紧张节奏。
这是一场反对物种繁殖和入侵的竞赛。据报道，5月21日收到任务订单两小时后，中国各单位联合成立的研究小组确认了项目实施计划和样本来源。第二天，他们在广州采集样本，并将样本从云南送到深圳。同一天，他们开始提取脱氧核糖核酸和其他工作。第5天，下载单管长片段的全基因组测序数据，测序5K大片段和WGS，测序转录组。第10天，物种鉴定和第一版雄性和雌性基因组组装完成。第15天，转录组数据从机器上取下，完成组装、孔填充和基因组注释。在第25天，即——6，公布了两条染色体的基因组，以确定入侵中国的草地夜蛾的亚型和可能来源。这篇文章是我正式发表的
4
抗艾研究现曙光，中国学者探路CRISPR技术治疗艾滋病
专家点评：
不久前，《自然》发布了2019年十大数字。北京大学邓鸿奎教授为成人艾滋病患者选择CRISPR基因编辑技术。
《新英格兰医学杂志》年9月12日在线发表了中国学者对“用基因编辑技术的优势来弥补“柏林病人”的不足”的探索。邓鸿魁教授与解放军总医院第五医学中心胡琛教授和首都医科大学友安医院吴昊教授团队合作，通过基因编辑灭活人造血干细胞中的CCR5基因，并将编辑后的干细胞移植到艾滋病病毒感染的急性淋巴细胞白血病患者中，这在世界上尚属首次。
与此同时，由基因编辑的造血干细胞可以在患者体内存活，并从“少数外来者”繁殖到“绝大多数原住民”，这是治愈艾滋病的关键。
证明基因编辑后的造血干细胞在人体内是安全的，能够存活，甚至“在逆境中茁壮成长”。这一结论给艾滋病患者带来了希望，也证明了临床研究的“可行性”。
邓鸿魁在接受《科学技术日报》记者采访时说，他最担心他们无法生存。如果经过基因编辑的干细胞不能在体内存活，那么病人的生命将处于危险之中。正是因为病人是第一个，研究小组选择了一个更保险的方案来输入基因编辑干细胞。
在何健奎事件发生后的一段时间里，基因编辑技术几乎停止了临床实践，要求停止临床试验和基因编辑应用的呼声持续不断。病人第一还是科学研究第一？恐怕这不仅是一个尊重病人知情权的问题，也是一个临床试验伦理的问题。
5
通过基因编辑剔除成人造血干细胞CCR5基因，然后将编辑后的细胞移植到艾滋病患者体内，已成为艾滋病“功能治疗”的新策略。需要强调的是，这里提到的基因编辑技术的应用是针对体细胞的，这与“何健魁事件”中针对生殖细胞和生殖的CCR5基因编辑完全不同。
——张齐林
快速止血有新招，神奇“胶水”在动物模型上“试身手”
专家点评：
清华大学艾滋病综合研究中心主任在他的心脏上打了一个洞，血涌出，挤压到基质凝胶上，用紫外线照射。几秒钟内，血停止了。基质凝胶的核心成分是明胶和透明质酸，由光触发分子修饰。有了它，伤口不用缝合就可以完全愈合。
Gel的作品于2019年5月《自然·通讯》出版。浙江大学教授欧阳宏伟表示，基质凝胶是通过改性美国食品和药物管理局认证的天然蛋白质和多糖获得的。它具有良好的生物相容性，具有良好的临床应用前景。
它也是凝血，一些科学家把目光转向了自然凝血因子。凝结过程是一个平衡的过程。几个负凝血调节因子的存在将防止过度凝血。中国科学院昆明动物研究所的赖军(Lai Jun)团队最近发现，血浆转铁蛋白与不同亲和力的纤维蛋白原、凝血酶、凝血因子XIIa和抗凝血酶相互作用，维持凝血系统的平衡，这在小鼠动脉粥样硬化发病模型中得到证实。相关研究发表在最近的《细胞研究》上。
ZY4，另一种神奇的小多肽分子，与鲍曼不动杆菌和铜绿假单胞菌连续“竞争”60代后，抑菌作用没有明显变化。狡猾的反毒细菌在它面前变成如来手掌中的太阳猴，尽管发生了种种变化，它还是无法从心脏中逃脱。抗菌肽ZY4的动物实验表明，它能显著抑制鲍曼不动杆菌和铜绿假单胞菌在体内的扩散以及铜绿假单胞菌引起的肺部感染和炎症。
ZY4并非天然存在，而是1000多种抗菌肽的“强力组合”。赖军的研究团队通过设计和改造获得了抗菌活性强、稳定性高、毒性低的抗菌肽ZY4。相关研究发表于2010年12月16日(PNAS)。
6
全新功能蛋白的发现需要两个基本条件:一方面，活性肽和活性蛋白的积累；另一方面，相关动物模型和平台的形成
DNA故事或将改写，美国科学家创建两对新碱基
：
2019年2月，美国科学家首次合成了8碱基的脱氧核糖核酸。实验表明，合成的脱氧核糖核酸可以像天然脱氧核糖核酸一样储存和转录信息。史蒂文·本纳(Steven Benner)的团队通过调节普通碱基——鸟嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶(G、C、A、T，其中A和T对，C和G对)的分子结构，创造了两对新碱基:S和B、P和Z。新碱基的形状与天然碱基相似，但结合方式不同。随后，他们将合成碱基与天然碱基结合，获得由8个碱基组成的脱氧核糖核酸。
配对、螺旋、同源重组，甚至是中心法则……这些4碱基的脱氧核糖核酸都没有8碱基的属性。这一成果首次系统地证明了合成碱基和天然碱基能够相互识别和结合，形成的双螺旋能够保持稳定。其他新的碱基对也在开发中，这使得创建包含10个甚至12个碱基的脱氧核糖核酸结构成为可能。
专家评论7
新的研究令人兴奋，但是离真正的8基合成遗传系统还有很长的路要走。一个关键问题是合成的脱氧核糖核酸能否被聚合酶复制，因为它决定有丝分裂和遗传。英国剑桥大学合成生物学家菲利普·霍林格
人类器官“借腹”扩繁，日批准用动物胚胎培育可移植器官
专家点评
：
该行动于2019年3月获得日本政府批准。据《美国科学院院报》杂志报道，日本东京大学和美国斯坦福大学的生物学家中井(Nakai Nakai)计划将人类诱导多能干细胞(iPS cells)植入小鼠和大鼠胚胎，并将胚胎植入实验动物体内。可以移植的人体器官是由“活工厂”连续生产的。
据报道，日本获得系统许可的原因是，由于器官移植捐赠率低，且容易发生排斥反应，预计将为糖尿病及其他疾病的治疗开辟新的方向。
为了填补器官移植的空缺，一些人试图使人体器官“借腹”扩张，另一些人试图使动物器官被人们接受。许多研究使用基因编辑方法使猪器官在多次基因修饰后“看起来无害”，从而避免移植后的人类免疫排斥、血凝块和其他免疫攻击。
真的无害吗？研究人员正试图将其移植到非人灵长类动物身上进行临床前研究。有报道开玩笑说唐僧想借猪猡的器官，先问悟空。
010-59000010-59000
几年前，我们和乔治·丘奇(乔治·丘奇，一位声称能够在几年内实现跨物种同种异体移植的外国学者)一样乐观，因为我们已经获得了肺和肾有缺陷的猪。我们唯一需要做的是找到理想的人类干细胞，让它们在猪体内生长人类肺和肾。然而，过去几年的反复测试发现事情远不像最初想象的那么简单，人类细胞和猪细胞之间也没有很好的相互作用。
——南京医科大学杰出教授、江苏省异种移植重点实验室主任戴一凡
