科學看待生命「被製造」

人造生命單細胞製造過程示意圖。人民圖片5月20日，美國私立科研機構克雷格·文特爾研究所的一個科學家小組在美國《科學》雜誌上宣告世界上首例人造生命誕生。這個被命名為「辛西婭」（意為「人造兒」）的人造細胞，是一種由人工合成的基因組所控制的單細胞生物，是地球上第一個由人類製造的能夠自我複製的新物種。「辛西婭」顛覆了有關生命屬性的經典認識，引發全世界的廣泛關注和爭議。人們在問：對人類而言，這項新技術福耶？禍耶？中國科學院院士、著名生物學家楊煥明在接受本報記者專訪時指出，這項新技術具有里程碑意義，而對於可能造成的風險和生命倫理方面的問題，要正確地加以評估併科學地管理控制。經過漫長歲月進化而來的生命，其奧秘一直讓人類困惑。現在，隨著世界上首個「人造生命」的誕生，人們在解密的道路上似乎已「柳暗花明」。「他」？「她」？「它」？「這是第一個人造細胞」，「地球上第一個父母是電腦，卻可以進行自我複製的物種」對於「辛西婭」這個新物種，許多人至今仍感到迷茫，甚至不知道該稱呼「他」、「她」還是「它」？楊煥明對此解讀說，以美國生物學家文特爾教授為首的科研團隊把生物支原體作為研究對象，在分析自然的支原體基因組脫氧核糖核酸（DNA）序列、解讀其基因結構和相互關係的基礎上，用計算機重新設計了儘管相似、但確實不同的一個新基因組，這一人工合成的基因組「替換」了自然支原體原先的基因組，「接管」了細胞的所有活動，不但存活並能不斷繁殖。用文特爾的話說，「這是第一個人造細胞」，「地球上第一個父母是電腦，卻可以進行自我複製的物種」。生命進化用了幾十億年時間，現在的設計和合成則把生命進化的時間大大縮短了。楊煥明指出，這是「生命科學史上一個里程碑」，譜寫了現代生物技術的新篇章。它將在多方面改變醫學和整個生命科學，對人類社會產生重大影響。作為近年來興起的一門新學科，合成生物學是建立在基因組學、生物信息學、遺傳學和系統生物學之上的交叉學科。它從最基本的生命要素開始研究，目的是建立自然界中不存在的人工生命體系。人造生命只是一小步，但也可能是人類認識生命、認識自身的一大步。神創論、進化論、「被製造」從合成生物學的角度來認識，生命的本質是序列的、數據的，可以用計算機來設計生命的本質是什麼？來自哪裡？人類對此進行了長期探索。但限於當時的科技水平和認識能力，人們無法解釋生命本質和起源，因此有了上帝造物，女媧造人之說。直到19世紀，英國偉大的科學家達爾文創立了生物進化論，才改變了人們對生命的觀念，進化論逐步開始取代神創論。在此前後，人們發現了細胞和基因，但仍不能真正解釋生命。進入20世紀，遺傳物質是DNA的證明，DNA雙螺旋結構的發現，大大推動了生命科學的發展。從20世紀之末至21世紀初，「人類基因組計劃」的完成，人類生老病死的「天書」開始破解，幾十種動植物和近千種微生物基因組的測序，多條生物代謝途徑、信號傳導通路和基因調控網路的闡明，基因組學時代的到來，為人類設計、合成生命打下了基礎。幾乎與此同時，DNA測序和化學合成、DNA重組和大片段克隆、轉基因和基因組轉移等技術，以及計算機和信息技術的快速發展，為模塊化、工程化、標準化重新設計和合成基因及基因組提供了可能。2003年，斯密斯等合成了一個噬菌體的基因組。2007年， 羅克斯等合成了非典病毒。但合成的都是很小的基因組，增加或者改變的不超過10個基因，不能說是能獨立生存的生命。文特爾研究所進行了開創性的研究，他們要合成的人工基因組長達100萬多個核苷酸，大約有1000個基因。這畢竟是件不容易的事。文特爾談到這項研究的艱辛時說，他領導的由生物學家、信息技術和環境專家等組成的400人精英團隊用了大約15年的時間、耗資4000多萬美元才完成了此項工作。在這個過程中，他們需要開發新的工具和技術，建立如何將基因和基因組從一個物種移植到另一個物種中去。經過多次失敗的嘗試，才合成了目前為止實驗室合成的最大化學定義的生命結構。人類扮演了「上帝」的角色，人類開始自己製造生命。「人造生命證實了我們迄今對生命的認識」，楊煥明院士說，從合成生物學的角度來認識，生命的本質是序列的、數據的，可以用計算機來設計。人類第一次把對生命的認識變為生命的「製造」。小細菌、新系統、大產業重新設計、製造新的生物系統，使解決能源、材料、健康和環保等問題不再是神話科學技術的進展推動人類社會向前發展，使人類擺脫落後的生產和生活方式，並創造了巨大的社會財富。但與此同時也產生了一系列問題，如能源危機、環境污染、氣候變化和生態失衡等重大災難，這成為制約人類社會發展和進步的瓶頸。而合成生物學的突破性進展彰顯出應答這些挑戰的巨大潛力，為人類實現可持續發展帶來新的選擇和希望。正如英國皇家工程學院最近在一篇報告中指出的，「合成生物學有可能創造另一系列新的大型產業，其發展對於英國、歐洲和世界經濟的發展可能產生深遠的影響。」楊煥明說，既然現在可以設計一個生命 （細菌），儘管它還很原始，還很小，還沒有實際應用價值，但很快，其他生命，至少單細胞的生命，都能人工設計和製造。通過對現有的、天然存在的生物系統的分析和研究，完全可以進行重新設計、製造新的生物系統，使解決能源、材料、健康和環保等問題不再是神話。生產新生物能源。科學家提出用地球上越來越多的二氧化碳為原料，取代玉米等糧食作物來製造甲烷，其轉化器是一種專門的人造生物。美國人利用大腸桿菌生產柴油和汽油，技術上已獲得成功。文特爾聲稱，這樣的新能源生產方式將完全取代傳統的以石油為中心的化石能源工業體系。生產新葯、加速疫苗研製，提高醫療水平。昔日遺傳工程生產的胰島素等，都是基因的直接產物即蛋白質，現在不僅可以設計新的生物細菌來生產這些東西，還可以生產非蛋白質的生物有機物。目前，科學家利用這一技術研發具有廣泛保護作用、抵抗複雜多變病毒的疫苗，美國能在24小時內生產出新的候選疫苗。再比如青蒿素，原來只有中國產的青蒿才能生產它，提取費用很高，通過合成生物學的方法，美國現在用改造的大腸桿菌工業化生產青蒿素，大大降低了成本。另外，製造特定的工程細胞，用於治療，傳遞治療藥物，還可以使一些惡性細胞「改惡從善」。生產食品。利用合成生物學技術生產蛋白質和維生素等。以楊樹為例子，消化其木質素非常困難，很難轉換成糖和酒精。通過改變楊樹的基因組，把木質素轉換成纖維素，纖維素變成糖和酒精就容易多了。歐洲現在通過變換楊樹的基因組，可以直接發酵，製造糖，儘管現在不能食用。解決環境問題。「人工細菌」同樣可以大顯身手，監測土壤、工廠、河流、海洋和大氣中的污染，並分解這些污染物，達到凈化環境的目的。總之，合成生物學技術將在各領域產生新的產品和應用。起點、發展點、制高點中國合成生物學起步較早，但仍需加大投入，追趕國際先進水平合成生物學正處於加速發展的階段，並有望成為21世紀引領生物學甚至整個科學領域發展的重要學科。由於它以解決人類社會中的重大問題為出發點，具有不可估量的潛在價值。因此許多國家對其非常看好，並正在投入巨大力量進行研發。據統計，美國已有357個合成生物學實驗室，數量位居各國之首。此外德國有62個合成生物學實驗室，日本的類似實驗室有60個，中國現有8個。美國和歐盟一向非常重視合成生物領域的研發。美國能源部特地分析了人類生存需要的100多種基本的生物有機物，據研究都有可能用合成生物學技術生產，最終目標是解決能源、環境和醫學等方面問題。為此，過去兩年美國政府資助的合成生物學項目已近40項。歐盟於2007年啟動了《合成生物學——新出現的科學技術》引導項目共18項，英國生物技術與生物科學理事會在2008年將合成生物學列為優先資助的研究領域，目前已投入近1000萬英鎊的資金。英國明確提出要在該領域保持和提高其國際領先地位。此外，日本、韓國、印度、新加坡等國正在奮起直追，僅從發表的研究論文數量看，呈直線增長的態勢。中國合成生物學起步較早，早在上個世紀60年代，我國科學家曾做出人工合成胰島素等舉世聞名的成就。之後，中國通過參加「國際人類基因組計劃」，縮短了與發達國家在這一領域的差距。中國在幹細胞方面的基礎和應用研究，取得了公認的成就，這些都為醫學合成生物學奠定了基礎。現在，中國科學家已注意合成生物學的興起並開展了相關研究，正處於一個快速的發展點上。中國科學家積極開展國際合作，參與了歐盟的第六框架計劃合成生物學的研究項目。同時還在國家自然科學基金的資助下，開展基因組最小化的研究。此外，中國許多高校都曾派出大學生代表團參加了一個設計生命部件的國際競賽，並多次得獎。楊煥明認為，中國已顯示出在合成生物學方面的潛力。正在進行的工作，除了與歐盟的合作項目外，多數還處於前期準備階段。為此，我國仍需加大投入，整合力量，追趕國際先進水平，搶佔制高點。質疑者、批評者、支持者從技術層面可設計基因開關；從社會層面，生物安全和生物防護需提上日程人造生命的出現如同「爆炸一顆原子彈」，在國際科學界和全世界引起強烈震動。批評者和支持者各執一詞。美國總統奧巴馬立即表示要對其進行風險評估，美國眾議院能源和商務委員會為此還於5月27日舉行了聽證會。批評者認為該成果顛覆了倫理觀念，破壞了有關生命屬性的基本信念。還有人說，這項技術打開了「潘多拉盒子」，會造出人類無法控制的新物種，給人類帶來危害。文特爾回應了社會輿論的質疑和關切。他說，設計的人造細胞非常脆弱，離開了實驗室無法存活。他的團隊研究的目的是將這些新技術商業化。他還承認不能憑空創造生命，是「時間父親」和「自然母親」提供大量的幫助，負責設計和定義了真正的細胞，才使這個人工合成結構有了生命。楊煥明認為，對科技成果，首先要從科學上肯定其進展。如果說有什麼問題，就是又一次拉開了發達國家和發展中國家之間的差距。據悉，文特爾對構建的人造生命技術已提出了專利申請。楊煥明指出，引用人造生命創造者的解說，是為增進對這個問題的理解。在發展中國家對這一技術不理解的情況下，泛泛討論一項新技術帶來的危害，會產生不必要的恐懼，這非常有害，客觀上將延緩科學的發展。楊煥明還以核技術為例作進一步說明，他說，世界上有很多核武器，人們曾擔心毀滅世界，但這種情況並沒有發生，因為有國際防範機制加以管理和控制。對於生物合成技術，應看到其發展會造福人類，對其造成的風險和生命倫理方面的問題，應正確地加以評估併科學地管理控制。從技術層面來說，科學家對此已有預見和防範手段，對造出的新物種，裡面可設計基因開關，控制其壞的方面。一些工程細菌，到一定的時候，讓其自然滅亡，而不對人類社會和環境造成危害。從社會層面來說，生物安全和生物防護提上日程，首先有關部門加強管理，包括法律上的管理；其次是科學家的責任，防止對這一技術的誤用；其三，公眾對科學信息全面真實的了解，防止不必要的恐慌。
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