「創造生命」的合成生物學——兼評「首個人造生命」的誕生

「創造生命」的合成生物學——兼評「首個人造生命」的誕生作者: 劉伯寧 2010-06-02 20:00:39英國《經濟學人》將「人造生命」的成果與原子彈的誕生相提並論。新生命如何在實驗室「被創造」 「像組裝電路一樣組裝生命」，只是合成生物學研究思路的形象比喻。有人預言合成生物學將帶來人類歷史上的第三次工業革命。最近，很多媒體報道了美國生物學家克雷格·文特爾的研究成果：在實驗室中重塑「絲狀支原體絲狀亞種」的DNA，並將其植入去除了遺傳物質的山羊支原體體內，創造出歷史上首個「人造單細胞生物」。人造生命取名為「辛西婭」（Synthia），這個美麗動聽的名字，短時間內給公眾帶來的不僅只是驚喜，還有爭議和恐慌。有人將這一創舉譽為「生命科學領域決定性的時刻」，文特爾本人也宣稱其改變了生命的定義，甚至有人預測他將因此獲得諾貝爾獎。但是媒體中廣為使用的「首次合成人工生命」之說，並不準確。文特爾的成功之處，在於用化學試劑合成了人工染色體，並在另一微生物中顯示出生物功能。DNA是決定生物性狀的遺傳密碼，卻不是生命的惟一組成部分。從這個意義上講，文特爾只不過創造了部分生命。這項研究成果最為直接的意義，只是人造的支原體可以利用化學合成的染色體生存繁殖，並導致山羊的乳腺炎。「首次創造生命」之說言之過甚。事實上，文特爾本人在《科學》雜誌上發表的文章題目卻更為客觀、嚴謹：「首次合成由化學合成基因組控制的細菌」。《科學》雜誌的相關評論指出，這項研究成果其實並不是首次創造新的生命形式，科學的定義應該是「生命再創造」或「篡改生命」。因為辛西婭除了染色組是人工合成外，生命體的其他組分均是來自於已有生命形式。但是無論如何，這項耗資4000萬美元的科技成果，畢竟是人類生命科學發展的一大進步。英國《經濟學人》將此成果與上個世紀原子彈的誕生相提並論，其意圖顯然著眼於科技成果對人類的傷害以及對自然界的破壞。今年4月《自然》雜誌推出專刊討論，「人類基因組測序十年紀」。5月21日「首個單細胞生命」在文特爾手中誕生。這一歷史性突破，可視為對「人類基因組測序完成十周年」的最好紀念，同時也是對近十年的「後基因組時代」生命科學迅速發展的最好詮釋。合成生物學是後基因組時代生命科學研究的新興領域。早在本世紀初，它就已經成為現代生命科學的研究熱點，2004年《技術評論》認為「合成生物學」將成為改變世界的十大技術之一；2005年《自然》雜誌又刊發專刊介紹生物合成學的進展。然而，「生物合成學」真正進入大眾視野，還是緣於「世界首個人造生命」的新聞事件。藉助合成生物學的研究成果，文特爾僅僅使用四瓶化學試劑就合成了人工生命「辛西婭」。一時間給人以「合成生物學」便是「造物術」的感覺。科學家認為，合成生物學可以通過合成生物原件，組裝生物系統，來創造新的生命形式。有人就此評論，隨著合成生物學的發展，人類可以像組裝電路一樣組裝生命，從此將代替自然扮演「上帝」的角色。為此，公眾對「合成生物學」展開了廣泛的討論。關於合成生物學，甚至還出現了「計算機造人」的誤傳。「像組裝電路一樣組裝生命」，只是合成生物學研究思路的形象比喻。合成生物學是建立在基因組學、生物信息學、系統生物學等學科基礎之上的現代生物科學，在它的發展過程中借鑒了電子工程的研究思路，如生命的遺傳物質DNA，可以看作生命體的軟體，生物膜等細胞器可以看作生命體的硬體。可以仿照計算機編程的方法，通過操作DNA來控制生命的遺傳性狀。也可以仿照利用電子原件組裝計算機的方法，使用可以替換的生物轉（bio－brick）組裝生命。但是，實際上細胞內部基因的表達調控、代謝網路如同蜘蛛網一樣繁雜精細，往往是牽一髮而動全身。功能基因的表達遠不像電路板上晶體管開關那樣的簡單，細胞代謝網路的複雜程度也非電路板可比。正因如此，即便，生命科學高度發達的今天，文特爾使用已經精簡的「最小基因組」，移植到掏空遺傳物質的支原體體內，實驗進展也不是一帆風順。在後基因組時代，基因測序和DNA合成成本已經低廉，所以，一直到組裝細菌人工染色體都沒有問題。問題就是出在，正確的DNA序列植入到「空宿主」體內後卻不正常工作。這一問題，最終通過「甲基化修飾」得以成功。這種序列正確的DNA組裝成結構正確的染色體，在胞內發生沉默，其實已經涉及到表觀遺傳學、系統生物學的研究內容。此外，外源基因的插入表達，還會造成細胞原有代謝途徑的改變，等等。創造人工生命遠不像拼接電路、壘積木那樣簡單。這也正是人類基因組破譯十年後，其研究成果不能直接應用於醫療的原因。從科學的意義上說，人工生命的誕生，標誌著合成生物學已經可以簡單地改造生命。人類從讀取基因序列躍升至編碼基因的階段。但合成生物學遠沒有發展到可以任意創造生命的程度。合成生物學的進一步應用還有賴於系統生物學的長足發展。「任意創造生命」既不是目前合成生物學發展程度所能企及的，也不是發展該學科的最終意義。科學家真正關心的是，如何利用改造的生命體為人類服務。早在上世紀七十年代，生物學家就可以利用「DNA重組技術」，將長鏈DNA切割成有功能的基因片段，並把它在模式菌株中表達。如今，無論是原核生物、真核生物都可以高效地表達異源蛋白，並開始產業化應用。如利用大腸桿菌生產胰島素、利用動物細胞生產疫苗抗體、利用轉基因動物充當生物乳腺反應器。本世紀初，「細胞工廠」的觀念逐步深入人心。合成生物學的應用，正是「細胞工廠」理念的延伸。利用該技術更為精確控制代謝途徑，合成目的蛋白。合成生物學可以通過構建「人工細胞」的方法，來解決諸如能源、材料、環保等社會問題。這也正是美國資源部傾資300萬美元支持文特爾研究人工生命的真正用意。當前，合成生物學的產業化應用已經初現端倪，美國兩家企業已開始使用人工細菌生產生物燃料，製藥公司賽諾菲－安萬特公司已經獲准使用合成生物學改造的啤酒酵母生產青蒿素。5月28日美國國會能源和商務委員會收到的聽證會內容簡介文件寫道：「人造生物學應用前景廣闊，涉及健康、能源及環境。」文特爾預言，合成生物學可以直接帶來億萬美元的生物產業，也有人預言合成生物學將帶來人類歷史上的第三次工業革命。我們期待著「合成生物學」能將高高在上的「現代生物學」的儘快工程化，使之成為造福人類的工業生物技術。【南方周末】本文網址：http://www.infzm.com/content/45893
推薦閱讀：