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"人造生命"已成现实 或给人类带来灭顶之灾(图)

http://www.kexue.com 2013-08-22 09:09:13 自然与科技杂志  发表评论


人造生命

  利用合成生物学,科学家正在改变着世界。科学家正试图将细胞看做是一套积木,因而可以用基因“积木”和蛋白质“积木”将生命重新组合,创造各种新的细胞及其新的功能,比如能够清理原油泄漏污染的细菌、能够生产新型材料的细胞等。

  不过也有科学家警告说,合成生物学可能有一天会变成人类的敌人,并给人类带来灭顶之灾。

  合成生物学家正在用“生物零部件”和“生物电路”重塑生命

  组装生命

  在波士顿海洋工业园区——拥有40年历史的加州的“硅谷”——的一个实验室里,各种先进实验设备发出轻微的嗡嗡声,年轻的研究人员一排排坐在电脑显示器前,偶尔从波士顿洛根机场传来的飞机轰鸣声也不能让他们驰心旁骛。科学家们正在这里创造着合成生物学上的奇迹,并将从根本上改变我们的生活。

  正如斯坦福大学的研究人员是半导体革命背后的智囊,麻省理工学院和哈佛大学的师生们在这个实验室里所做的一切也将引发下一场变革,但他们在这里不是开发计算机芯片,而是将重塑生命本身。

  莱西玛·谢蒂就是这幢大楼8层“生物产品工厂”中年轻科学家中的一位,2008年,她和四位同事一起,包括她的博士生导师汤姆·奈特,一起创建了一家组装DNA部件的新创公司——银杏生物工作室(Ginkgo Bioworks)。

  银杏生物工作室本质上是一家21世纪的“生命工厂”,研究人员在这里将从头开始创造生命,实验室的试管小瓶里装满了重新设计的生命细胞。“通过对自然生命的研究探索,我们将重新设计和操纵生命。”谢蒂说道。

  “银杏生物工作室”的研究人员将根据订单来“制造”客户所需要的生物有机体。需要吸收大气中的二氧化碳? 他们就设计某种细菌来承担这一任务;需要清洁的生物型燃料来代替石油? 他们就研究设计一种可产生新型燃料的微生物。

  合成生物学作为基因工程学的一个分支,从诞生到现在只有短短的十多年,但其前景不可限量。合成生物学将以新的手段提供设计和构建细胞的强大能力,实现人类开发新的替代能源,生产对抗疾病的药物,以及在有限的土地上生产更多粮食来养活地球庞大人口的梦想。

  合成生物学家创建的生物学版本的“硅谷”,为人类全新的未来奠定了基础。某个研究团队开发了一种更新更复杂的生物组装“积木”,实现生物工程学的大规模生产已指日可待;一些科学家研发的生物模拟电路和程序,就像计算机编程一样,可按照需要将“生物零部件”组装起来;一些研究人员目前正在编写的“生命代码”,可让细胞做我们以前所难以想象的事情,例如追踪捕杀癌细胞等。

  “我们要做的不仅仅是设计更完美的DNA片段,”合成生物学领域中极有远见的奈特说道,“我们要像建立半导体基础设施那样,以同样的方式去创建一个合成生物学技术的基础。”

  人类历史上第一个“人造生命”

  2007年10月6日,美国科学家克雷格·文特尔宣布,他的研究小组用化学物质在实验室中合成了由58万个碱基对、381个基因组成的人造染色体,并将其植入细菌生殖支原体的外壳中。在这些基因的控制下,新细菌能摄食、代谢和繁殖,已经具备了生命的三个基本特征,堪称人类历史上第一个“人造生命”。这一研究将使人工合成生命成为可能。

  用“生物零部件”来“装配”生命

  美国的生物学家克雷格·文特尔决定从无到有合成活的有机体的壮举,将涉及合成生物体的整个基因组。一些商业化生物技术公司可以很容易地合成短链DNA,但要把它们合并成为完整的基因组,则是一个完全不同的概念,因此文特尔的首选目标是一种称为支原体的细菌。支原体是已知生命体中基因组最简单的一种微生物,相对于人类基因组30亿个碱基对,这种细菌只含有58万个碱基对。

  文特尔成功地人工合成了一种支原体。他将人工合成的基因组插入一个物种(其本身的DNA被删除),由此产生了一种新的生命——人工合成细菌“辛西娅”。

  文特尔的成功可以说是从无到有创造了生命,但许多合成生物学家对此并不像媒体表现得那么兴奋,他们认为,文特尔的团队并没有真正创造出一个新的物种,人工合成的“辛西娅”并没有增加自然界本身不存在的任何新的东西。今天的合成生物学追求的目标是要真正地从头开始创造生命。“按我们的需要和意愿来设计生命,我们已经开始了这样的工作。”哈佛大学医学院和哈佛维斯生物工程启发研究院的生物学家帕米拉·希尔瓦说道。

  设计新形式的生命,首先要建立一个生物工程装配线。当然生物工程的装配线不是给沿着流水线移动的汽车装上标准化的火花塞或化油器,而是将全新的生物“零配件”安装到某种细菌载体内。

  为此,研究人员首先需要确定细胞内一些主要和重要的部分——生物学版本的轮子、引擎罩、仪表板、发动机等。这样的零部件应当是通用的,比如动力转向泵,既可以安装在福特金牛座车上,也可以安装在福特福克斯车上。零部件还要实现标准化,这样某个工厂生产的零部件也可以安装在其他工厂生产的汽车上。

  斯坦福大学合成生物学先驱德鲁·恩迪经常会提到1864年威廉·塞勒斯的故事,在赛勒斯的主张和推动下,美国采取了他的新的设计方案,实现了螺母和螺栓生产的标准化。科学家们如今编制列出的生物学“零部件”大部分为远比单个基因更短的遗传物质片段,这些DNA片断可以用来触发控制某些特定基因活动的开启或关闭。2003年麻省理工学院的生物学家开始正式建立了这样的“生物零部件库”,如今他们的“生物零部件”数量已达2万种之多。

  波士顿大学的生物工程师詹姆斯·柯林斯对大部分基因“零部件”的数量和质量显然都不太满意,为了做想要做的事情,柯林斯需要更多的“生物零部件”。大多数合成转录因子是根据大肠杆菌之类的细菌中的“版本”设计的,科林斯的团队希望能从比细菌更复杂的酵母中寻找更多的灵感,来创建设计更高级的“零部件”。柯林斯与麻省理工大学的蒂莫西·卢合作开发了一个产生新转录因子的系统,设计了19种新的转录因子。“我们不再依赖于从自然界中获得少量转录因子,我们现在拥有一个很好的平台,可大量设计新的转录因子。”柯林斯在《细菌》杂志上发表的研究论文中如此说道。

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