以细胞为硬件，以基因编码为软件，新科技创造新奇迹
近日落幕的国际
遗传工程机器竞赛，吸引了中国科大、北大、清华等高校师生参赛。在这个合成生物学领域的世界级大学生科技赛事上，科研工作者采用基因工程方法，将生物细胞“改造”成实用的机器或技术，模拟细菌活动，依照设计者的指令，完成杀死癌细胞等各种特殊任务。
基因模块可以组装
生物系统可以由一些标准化的、可更换的零件组成吗？人们能否在活细胞里面操纵这些零件？生物能不能被制造？
在2009年国际遗传工程机器竞赛上，中国科学技术大学派出两支队伍，参赛题目是“大肠杆菌自动定向演化机器”与“自动生物环路设计”。中国科大队员们不负众望，收获两项金奖，与加州伯克利大学并列金牌数第一。自2007年参赛以来，中国科大共取得3金1银的好成绩，保持国内金牌数第一和奖牌数第一的领先地位。
国际遗传工程机器竞赛，由美国麻省理工学院主办，始于2003年。 2004年，这项竞赛只有5个团队参赛。一年后，竞赛走向国际化，吸引13个团队参赛。 2009年，来自世界各地的100多个团队参赛。国际遗传工程机器竞赛有一个自己的数据库，专门收集每年参赛团队设计出的、合成的基因模块。经过6年的积累，这个数据库里已经收集了数千个基因模块。这些基因模块又称为“生物砖石”。在2009年国际遗传工程机器竞赛上，中国科大队员们提交167个“生物砖石”。每一块生物砖石都由标准化的脱氧核糖核酸(DNA)片段组成，可以被用于对细胞的功能进行修饰和改变。
“科学家们熟练操控基因的时间已经长达十几年了。在模式
微生物中插入、剔除或者改变基因，已经是万千实验室中的常规操作了。于是，科学家们有了更加激进的念头，尝试着利用基因的序列信息和人工合成DNA，去改造细胞内部的信号传递、新陈代谢等各种通路，从而使得细胞具有全新的功能。 ”中国科大生物学院博士生丁博说，“这是国际遗传工程机器竞赛产生的基础。 ”
“细菌机器”威力无比
组装“生物砖石”搭建生物机器，是合成生物学的重要内容。丁博说，传统生物学研究是将生物各部分“拆解”开来，试图认清每个部分的结构，采用的是“还原论”认识方法。而新兴的合成生物学的理念却不同，它希望组装出与已有生物相同的功能，或强化已有生物的某种功能，采用“系统论”的方法，更加贴近于生命活动本身，这也使得生物研究更加贴近人们生活。
科学家们已设计并合成相关的细胞工厂和分子机器，满足世界在能源、环境、健康等方面的需求与挑战。在2008年国际遗传工程机器竞赛上，德国的海德堡大学研究小组制造出一种“机器大肠杆菌”。这种细菌被放出后，不会游向食物，而是会返回病原体，并自行“爆炸”，摧毁病原体。 2009年，海德堡大学研究小组完善发明，令会“自杀”的机器细菌不仅能够检测并杀死病原体，还能杀死癌细胞。这个小组利用大肠杆菌的自然遥感和运动系统，设计出两个模块，一个模块用来为杀手细胞辨别猎物细胞，另外一个模块引导杀手细胞转向它们的猎物。
青蒿酸是合成生物学的另一成功案例。美国科学家科斯林与同事成功地用合成生物学方法在酵母中合成了青蒿素的前体物质青蒿酸，大幅增加青蒿素产量、降低治疗疟疾的费用。这一研究就是利用合成生物学的思路：始终把细胞当作微生物制药工厂进行设计、加工、集成、组装和控制。有一个与人们日常生活十分贴近的有趣例子，2009年国际遗传工程机器竞赛中的英国剑桥大学队通过一系列研究和试验，使得大肠杆菌可以呈现各种颜色而作为涂料。这种涂料比当前的化工涂料更环保，它不含甲醛等有害物质。2006年英国爱丁堡大学的团队使用细菌来探测水中的有毒物质砷。合成生物学家相信，利用合成生物学生成细菌，能让细菌吃进纤维素废物就能排泄出石油，能把煤转变成清洁天然气。
“合成”超过克隆技术
“如果你的硬盘坏了，你可以去最近的一家电脑用品商店，买一个新的然后换上，因为它是一个按照标准而制作的机器部件，整个电子行业都以即插即用为宗旨，器件全是按照统一标准制作的。为什么我们不以同样的方式应用生物学呢？ ”合成生物学家视细胞为硬件，基因编码为软件，努力令这个新系统运行起来。合成生物学家相信，只要有足够的知识信息，他们可以写出控制基因组件的程序――不仅可以改变自然，甚至可以引导人类演化的过程。
最新一期的美国《科学》杂志认为，著名生物学家克雷格・文特尔(CraigVenter)2010年很可能要完成多年的夙愿了。自2000年，人类基因组破译之后，文特尔就抛出了一个惊人的计划：“创造新的基因组！创造新的生命体！ ”多年前，文特尔和他的团队一直在对一种极其微小的细菌生殖支原体进行DNA分解，以及DNA片段的重新组合。现在，他们已经进展到实验的最后一步，把这些重新组合的DNA植入另一种细菌的体内。一旦这种新型细菌生存下来，文特尔创造新生命就算成功了。
“摆在文特尔面前的是如何将细胞物质嵌入到细胞膜之中，以开启生命的钥匙，就仿佛机器的部件已经全部准备妥当，如何开启开关使得整个机器开始运转一样。 ”丁博说，若文特尔找到攻克难关的方法，那就是创造了生命。从某种程度上讲，合成生物学是比克隆技术更为惊人的一项技术。人造生物不像克隆技术必须借助于一个母体，它是完全的人为创造，这种诱惑吸引着合成生物学家不断前行。
现阶段，合成生物学领域的一切知识是全球共享，没有相应组织进行保密监管，人类在探索合成生物学知识之时，也考验着传统社会伦理道德体系。丁博担忧地说：“随着DNA技术的不断发展，如今任何人只要有钱就可以十分容易获得危险病毒的DNA序列。虽然现阶段，如何将基因变为活的生命的过程还是不清楚，但如果这些知识不幸被恐怖组织或者其他一些违法组织所利用，新的一场生化危机可能会发生。 ”
“或许大自然比我们理解得伟大多了，担心是多余的。 ”让蛋白结晶是个很困难的过程，又是人们了解蛋白质结果的基础之一，科学家们曾花了很长时间试图来实现这一功能，然而一个偶然的机会科学家发现一个自然界的
真菌天生就会结晶，丁博感叹，“大自然非常奇妙，人类不得不敬畏！ ”
作者：
2010-1-12