“创造生命”的合成生物学

　　“像组装电路一样组装生命”,只是合成生物学研究思路的形象比喻。有人预言合成生物学将带来人类历史上的第三次工业革命。　　



　　最近,很多媒体报道了美国生物学家克雷格·文特尔的研究成果:在实验室中重塑“丝状支原体丝状亚种”的DNA,并将其植入去除了遗传物质的山羊支原体体内,创造出历史上首个“人造单细胞生物”。



　　人造生命取名为“辛西娅”(Synthia),这个美丽动听的名字,短时间内给公众带来的不仅只是惊喜,还有争议和恐慌。有人将这一创举誉为“生命科学领域决定性的时刻”,文特尔本人也宣称其改变了生命的定义,甚至有人预测他将因此获得诺贝尔奖。



　　但是媒体中广为使用的“首次合成人工生命”之说,并不准确。文特尔的成功之处,在于用化学试剂合成了人工染色体,并在另一微生物中显示出生物功能。DNA是决定生物性状的遗传密码,却不是生命的惟一组成部分。从这个意义上讲,文特尔只不过创造了部分生命。这项研究成果最为直接的意义,只是人造的支原体可以利用化学合成的染色体生存繁殖,并导致山羊的乳腺炎。“首次创造生命”之说言之过甚。



　　事实上,文特尔本人在《科学》杂志上发表的文章题目却更为客观、严谨:“首次合成由化学合成基因组控制的细菌”。《科学》杂志的相关评论指出,这项研究成果其实并不是首次创造新的生命形式,科学的定义应该是“生命再创造”或“篡改生命”。因为辛西娅除了染色组是人工合成外,生命体的其他组分均是来自于已有生命形式。但是无论如何,这项耗资4000万美元的科技成果,毕竟是人类生命科学发展的一大进步。英国《经济学人》将此成果与上个世纪原子弹的诞生相提并论,其意图显然着眼于科技成果对人类的伤害以及对自然界的破坏。



　　今年4月《自然》杂志推出专刊讨论,“人类基因组测序十年纪”。5月21日“首个单细胞生命”在文特尔手中诞生。这一历史性突破,可视为对“人类基因组测序完成十周年”的最好纪念,同时也是对近十年的“后基因组时代”生命科学迅速发展的最好诠释。



　　合成生物学是后基因组时代生命科学研究的新兴领域。早在本世纪初,它就已经成为现代生命科学的研究热点,2004年《技术评论》认为“合成生物学”将成为改变世界的十大技术之一；2005年《自然》杂志又刊发专刊介绍生物合成学的进展。然而,“生物合成学”真正进入大众视野,还是缘于“世界首个人造生命”的新闻事件。



　　借助合成生物学的研究成果,文特尔仅仅使用四瓶化学试剂就合成了人工生命“辛西娅”。一时间给人以“合成生物学”便是“造物术”的感觉。科学家认为,合成生物学可以通过合成生物原件,组装生物系统,来创造新的生命形式。有人就此评论,随着合成生物学的发展,人类可以像组装电路一样组装生命,从此将代替自然扮演“上帝”的角色。为此,公众对“合成生物学”展开了广泛的讨论。关于合成生物学,甚至还出现了“计算机造人”的误传。



　　“像组装电路一样组装生命”,只是合成生物学研究思路的形象比喻。合成生物学是建立在基因组学、生物信息学、系统生物学等学科基础之上的现代生物科学,在它的发展过程中借鉴了电子工程的研究思路,如生命的遗传物质DNA,可以看作生命体的软件,生物膜等细胞器可以看作生命体的硬件。可以仿照计算机编程的方法,通过操作DNA来控制生命的遗传性状。也可以仿照利用电子原件组装计算机的方法,使用可以替换的生物转(bio－brick)组装生命。



　　但是,实际上细胞内部基因的表达调控、代谢网络如同蜘蛛网一样繁杂精细,往往是牵一发而动全身。功能基因的表达远不像电路板上晶体管开关那样的简单,细胞代谢网络的复杂程度也非电路板可比。正因如此,即便,生命科学高度发达的今天,文特尔使用已经精简的“最小基因组”,移植到掏空遗传物质的支原体体内,实验进展也不是一帆风顺。在后基因组时代,基因测序和DNA合成成本已经低廉,所以,一直到组装细菌人工染色体都没有问题。问题就是出在,正确的DNA序列植入到“空宿主”体内后却不正常工作。这一问题,最终通过“甲基化修饰”得以成功。这种序列正确的DNA组装成结构正确的染色体,在胞内发生沉默,其实已经涉及到表观遗传学、系统生物学的研究内容。此外,外源基因的插入表达,还会造成细胞原有代谢途径的改变,等等。创造人工生命远不像拼接电路、垒积木那样简单。这也正是人类基因组破译十年后,其研究成果不能直接应用于医疗的原因。



　　从科学的意义上说,人工生命的诞生,标志着合成生物学已经可以简单地改造生命。人类从读取基因序列跃升至编码基因的阶段。但合成生物学远没有发展到可以任意创造生命的程度。合成生物学的进一步应用还有赖于系统生物学的长足发展。“任意创造生命”既不是目前合成生物学发展程度所能企及的,也不是发展该学科的最终意义。科学家真正关心的是,如何利用改造的生命体为人类服务。



　　早在上世纪七十年代,生物学家就可以利用“DNA重组技术”,将长链DNA切割成有功能的基因片段,并把它在模式菌株中表达。如今,无论是原核生物、真核生物都可以高效地表达异源蛋白,并开始产业化应用。如利用大肠杆菌生产胰岛素、利用动物细胞生产疫苗抗体、利用转基因动物充当生物乳腺反应器。本世纪初,“细胞工厂”的观念逐步深入人心。



　　合成生物学的应用,正是“细胞工厂”理念的延伸。利用该技术更为精确控制代谢途径,合成目的蛋白。合成生物学可以通过构建“人工细胞”的方法,来解决诸如能源、材料、环保等社会问题。这也正是美国资源部倾资300万美元支持文特尔研究人工生命的真正用意。



　　当前,合成生物学的产业化应用已经初现端倪,美国两家企业已开始使用人工细菌生产生物燃料,制药公司赛诺菲－安万特公司已经获准使用合成生物学改造的啤酒酵母生产青蒿素。



　　5月28日美国国会能源和商务委员会收到的听证会内容简介文件写道:“人造生物学应用前景广阔,涉及健康、能源及环境。”文特尔预言,合成生物学可以直接带来亿万美元的生物产业,也有人预言合成生物学将带来人类历史上的第三次工业革命。



　　我们期待着“合成生物学”能将高高在上的“现代生物学”的尽快工程化,使之成为造福人类的工业生物技术。