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去生活,去犯错,去跌倒,去胜利,去用生命再创生命。

----詹姆斯·乔伊斯《一个青年艺术家的画像》

今年三月某个星期一的清晨,当丹尼尔·吉布森(Daniel Gibson)博士走进实验室的时候,他发现粉红色半透明的琼脂上静悄悄地长出了淡蓝色、”荷包蛋形状”的菌落。两个月后,领导这项研究的克雷格·文特尔(Craig Venter)博士不无骄傲地向媒体宣称:“在这颗星球上所有能够自我复制的生命体中,我们首次拥有了这样的一员——它的父母,是一台电脑。”

“这是生命科学和生物技术发展中具有决定性意义的一刻”,美国俄勒冈里德大学的哲学家马克·贝铎(MarkBedau)博士说——在千万年来不断干涉自然进化、制造新物种的人类史中,我们第一次利用最基本的建筑材料,从一个个字母开始书写生命的密码。一时间,全球各大媒体竞相报道“首例人造生命终获成功”,许多群众忧心忡忡“如果这样的技术落在恐怖主义者手中该如何是好”,而一些宗教人士则警告“人类不应试图扮演神的角色”。可是,包括文特尔在内的许多科学家却强调,这不过是“婴儿的一步”,不少担忧尚属杞人忧天。加州理工的大卫·巴尔的摩(DavidBaltimore)教授更是指出,这项研究不过是对原有技术扩大规模,并不具备里程碑式的科学意义。而且,“他(文特尔)并未创造生命,仅仅是仿造生命而已。”

文特尔自己反复声明:这项研究成就的真正意义,在于它给出了技术和理论上的可行性证明。迈过了这第一步,他和他的同事们终于可以开始着手解答那些令他们着迷的、有关生命本质的问题。而他们当年提出那些问题时,谁也不曾想到,这第一步竟然如此漫长艰难。那么,这究竟是一项什么样的研究?生命究竟如何被科学家们书写?它又有什么意义?要回答这些问题,让我们将一切从头说起。

十五年前的问题

一九九五年,由文特尔、克莱德·哈奇森(ClydeHutchison)汉米尔顿·史密斯(HamiltonSmith)领导的研究团队测定了一种叫做生殖支原体(Mycoplasmagenitalium)的细菌的遗传密码序列。这是继嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)之后,人类第二次测定一种能够自主生存的生命体的DNA编码——那时,基因测序技术刚刚起步,要等到五年之后,文特尔才会现身白宫,由克林顿宣布人类基因组计划顺利完成。

生殖支原体是一种很小的细菌,生活在人类的生殖道或呼吸道中。直到2002年,在所有人类发现的能够自主复制的物种中,它拥有最小的基因组:它的所有遗传密码都写在一个圆圈状的染色体内,一共只有不到六十万对碱基,517个基因(我们人类,每个细胞里都有二十三对染色体,三十多亿对碱基,两万来个基因)。这样短小精悍的遗传密码,引得文特尔和同事们思索这样一个颇具哲学意味的问题:我们能否从基因的角度,来探索生命的底线,追问生命的本质?换言之,我们能否找到一个自主生命所需要的最小遗传信息?

若想知道生殖支原体是否已经包含有最简化的基因组合,一个常见的策略是做减法:把基因从基因组里敲除掉。如果丢失某个基因之后细菌仍然可以存活,就说明它并非生命体存在的必要条件。利用这种方法,文特尔的研究队伍从生殖支原体中找到了一百多个“没用”的基因。可是,这并不能为我们提供问题的最终答案,因为许多基因有着相似的功能——譬如,有三个基因都掌管糖代谢,当你一次只去掉其中一个的时候,很可能并不影响细菌的存活,但如果你就此推出这三个基因全都不重要就大错特错了。所以,如果简单地从生殖支原体的基因组里减掉这一百多个基因,很可能并不能得到一个能够存活的细菌。而要尝试不同组合,一次敲除多个基因,相当费时费事,持续做减法的道路走不通。于是,文特尔有了一个前所未有地大胆想法:通过电脑设计,人工合成不同的基因组合,再把它们导入去掉染色体的细胞中,看看能否得到鲜活的细菌。


组装密码

要人造细菌,技术上存在两大难题。第一是化学难题——如何组装大型的DNA染色体?第二个则是生物难题——如何将组装好的染色体移植到细菌之中,并保证它能够正常工作?于是,文特尔在研究所里成立了两支队伍,在两个方向上平行工作。

最初的成果,来自于DNA组装。

2003年,人类基因组计划的竞赛已经尘埃落定,我们阅读(测序)DNA的准确性和速度突飞猛进,可与此同时,书写(合成)DNA的能力却依然相当有限。常见的合成长度只不过是几十到几百个碱基,稍微长一些,错误率就很高。2002年,纽约州立大学石溪分校艾克德·威莫(EckardWimmer)教授所带领的团队首次合成了长达七千多碱基的脊髓灰质炎病毒,可是,这一项目花费了他们整三年的时间。文特尔他们意识到,要快速、直接合成上千碱基的长链DNA,需要对当时的合成技术进行革新。

那一年,六十多岁的哈奇森博士和七十多岁的诺贝尔奖获得者史密斯博士“像年轻博士后一样”通宵达旦地工作,终于使用一种创新技术,仅仅用了14天,就合成出五千多个碱基的fX174病毒DNA序列。正确率?百分之百。“那时我们意识到,起码我们有能力制造许多这样病毒大小的DNA序列,然后把他们拼接起来,组装出上百万个碱基的大染色体。”文特尔说。这句话说得轻描淡写,实际上,为了成功地完成这一过程,文特尔的团队将会为此工作五年之久。

他们首先按照生殖支原体的遗传密码序列,合成了长度在五千到七千碱基左右的DNA链条,然后分五步将短链条逐级拼成长链条。在初期,每一次拼接之后,研究者们都把所得的DNA转入大肠杆菌中,通过细菌的繁殖来大量生产DNA片段。可是,他们发现,当拼接进行到第三层,也就是所得长度达到1/8个染色体时,由于DNA分子过大,再也不能在大肠杆菌中稳定存在。这时,他们把眼光转向了更为高级的单细胞真核生物——酵母菌。经过实验,他们发现可以利用酵母菌体内一种叫做“同源重组”的机制,自动完成链条拼接,最终获得上百万碱基长度的DNA。2008年,以吉布森博士为首的小分队终于成功地合成了含有五十多万碱基的生殖支原体的染色体。这一结果发表在《科学》上。

鸠占鹊巢
花开两朵,各表一枝。在化学小组挑战DNA合成新纪元的时候,生物小组也有不凡业绩。早在成功合成生殖支原体基因组的前一年,由卡罗拉·拉蒂格(CaroleLartigue)博士带领的研究组就已在《科学》上发表文章,描述如何使得来自一种细菌的染色体全面控制另一种细菌,将后者改头换面,变成前者。这被文特尔誉为“哲学上来说,我们发表的文章中最重要的之一”,因为“它展示了生命具有怎样的动态”。

在这项研究里,科学家们从细菌“丝状支原体”(Mycoplasma Mycoides)中提取遗传物质,放入近亲“山羊支原体”(Mycoplasma Capricolum)体内——两者间的亲缘关系“跟老鼠和人类差不多”,文特尔说。经过移植,山羊支原体的细胞内有了新旧两个染色体,在它发生分裂时,所产生的两个子细胞将各自继承一条染色体。由于只有来自丝状支原体的新染色体上带有抵抗四环素的基因,当这些细菌被养在含有四环素的环境中时,唯有那些继承了丝状支原体遗传物质的细菌才能存活下来。就这样,利用自然选择,外来的DNA胜出。振奋人心的是,当科学家们观察这些本来的“山羊支原体”时,发现它们完全忘记了自己的本性,开始一丝不苟地按照外来遗传信息制造蛋白质、在环境中生存,变成了彻头彻尾的丝状支原体——基因组移植成功了。

现在,两个小组都达到了最初制定的目标,人造生命岂非指日可待了?且慢鼓掌,还有意想不到的阻隔在前方。

失之毫厘
首先,别忘了,要合成大型基因组,需要这些人造染色体去酵母体内走一遭。怎样把真核细胞酵母体内“长出”的染色体收割出来,移植到原核生物细菌里去,就让科学家们大费周章。更糟糕的是,当他们最终成功地做到这一点时,却失望的发现,来自酵母体内的细菌染色体并不能被成功地移植到受体细菌中,无法将后者改头换面。哪怕是曾经被拉蒂格用来成功改造山羊支原体的那些染色体,只要去酵母之中打个滚,就失去了改造功能。那么,在酵母的肚子里,究竟发生了什么奇怪的事情,让这些染色体“失效”了呢?

“这一个小问题,耗费了我们整整两年。”文特尔说。为了缩短实验周期,尽快找到突破点,他们完全抛弃了生长缓慢的生殖支原体,聚焦在后来所用的两种细菌身上。经过多次重复实验,他们最终发现,其中的奥妙隐藏在一个小小的化学基团之后:在细菌悠久的进化历史中,它们总是受到其他物种的侵略——譬如来自病毒的感染。为了生存,细菌进化出自卫队,使用一种叫做限制性内切酶的蛋白质,把外来的DNA碎撕万段。可是,如何保护自己的DNA不会反受其害呢?它们给自己的染色体上加上了特殊的化学修饰——把一个个小小的甲基,放在DNA的特定位置上,作为“自己人”的辨识标记。

在拉蒂格的实验中,由于移植的DNA直接从丝状支原体取出,它们上面还带着细菌体内甲基的修饰印记,所以不会被山羊支原体体内的内切酶切碎。可是,来自酵母体内的染色体则不会带有这样的化学记号,自然一进入受体细菌就香消玉殒了。弄清楚了这一点,文特尔他们很快找到了两种解决方法——要不给酵母体内收割来的染色体加上甲基修饰,要不把受体细菌体内的内切酶事先消灭掉。这样,他们终于扫清了最后一处障碍,可以从一个个碱基开始,用最基础的遗传密码组建生命。

他们选择丝状支原体的遗传序列作为合成蓝本。可是如何才能区别合成出来的DNA和天然的DNA呢?科学家们在DNA里加入了四段“加密水印”。我们知道,DNA由四种碱基——也就是四个字母组成,当DNA被翻译成蛋白质时,每三个碱基被翻译成一个氨基酸,而每个氨基酸则有一个英文字母作为名字。可是,英文字母有26个,氨基酸却只有20种,显然还不太够用。于是科学家们在此基础上,又设计了更为复杂的密码系统,包括所有的字母,还能加入标点符号。这样,他们不但用DNA序列来书写自己的名字和邮箱,还替这条人造染色体建立了自己的网页,把网址也写在遗传序列之中。最后,他们甚至发挥了一点文青的浪漫气息,在其中一段水印中写下了三条颇具诗意的名言,本文的题记,就是其中之一。

经过修订,最后由电脑设计的染色体有1,077,947个碱基对。这一次,文特尔组里的科学家们无需再亲自动手合成病毒基因组大小的短链,因为上千碱基的DNA合成已经商业化,可以直接从公司购买。接下来,按照短链拼长链的已有技术,上百万个碱基被人工粘贴在一起,组成完整的染色体。再通过甲基修饰,转入山羊支原体的细胞。大功告成?不,实验又一次失败了,转入的基因组沉默地躺在受体细胞内部,丝毫不能发挥作用。

于是科学家们开始了艰苦的纠错任务——面对含有一百多万个碱基的染色体,谈何容易。他们一段段地检查,终于在三个月之后,找到了罪魁祸首。在一个关键基因上,丢失了仅仅一个碱基。这真是让人惊叹:在这本上百万个字母组成的天书中,有的地方异常关键,一个字母也错不得;而有的地方却惊人的宽容,研究者们可以随心所欲地放入大段诗章,也不影响染色体正常的功能。这再一次展示了生命的复杂奥秘。

终于,可以回到开头的那一刻——由电脑设计、人工合成的染色体,成功地在另一个细胞里谱写生命。除了回答“生命的最简基因组合是什么”这样纯理论性的问题,合成基因组的技术很可能具有更为广泛的运用前景,文特尔希望用它快速高效地制造疫苗,甚至利用它改造生命,创造出“吃的是二氧化碳,挤的是新能源”的细菌,一举解决全球变暖和能源危机两大问题。

喧嚣与真相
在研究者做出一步步接近他们目标的过去数年中,随着每一次突破的产生,“人工合成生命”一类吸引眼球的标题总是迅速如潮水般涌向人们的视野。可是,正如许多科学家指出,文特尔的团队也反复强调的,他们所做的,远非大众所想象的那样,“玩弄上帝之手”。首先,他们所合成的,并非整个细胞,而只是细胞的一部分——染色体。当染色体被移植到受体细菌内时,它只不过利用了细胞质中原有的生命材料和机制,制造自己的蛋白质。这更像给电脑换了个操作系统,而并非购置一台新电脑。而且,正如前文所述,这条人工合成的染色体,几乎完全以自然界里已有的基因组为模板,科学家们除了加入一些无伤大雅、不能改变功能的花俏字符,并没有任何大规模的创新生命的举动。

至于疯狂的人是否会利用这种新方法,制造出各式恐怖的生物武器,这样的可能性更加遥远。正如《科学》报道指出:“这项技术的复杂性决定了它此刻对任何潜在的恐怖主义者毫无吸引力。”同时,我们对生物的认识,还远远没有达到可以随心所欲地、像拼积木一样把一堆特定基因凑在一起就得到特定生命形式的目的。考虑到为了走出这技术发展的第一步,这些优秀的科学家们花上了十五年的光阴,我们大约有理由保持谨慎的欣慰,不必担心世界在一周之后就兴起幡然巨变。

然而,毫无疑问,如同科学史上许多进展一样,这项研究的意义延展到科学以外。近年来,随着“合成生物学”领域变得炙手可热,它对人类的意义也成为专家学者与普通大众的讨论热点。当分子生物学家们从技术的角度对吉布森的工作品头论足时,社会学家则倾向于从哲学的高度来重新思考生命和生活的本质,而政府工作人员却思考着它将如何影响国家与人民安全。此时,亲手做出这些成就的科学家们,是否能清楚、准确、坦率、客观地向领域之外的公众讲清自己研究的内容与意义,则有着无比关键的作用。所幸的是,研究者们并未忽视这一点,在《科学》论文的最后一段,吉布森和其他作者写道:

“从工作早期开始,我们就致力于推动有关合成生命的伦理学讨论。眼下,合成基因组技术的应用性变得更加广阔。我们预期,这项工作将会继续引发具有深远的社会与伦理学影响的哲学讨论。我们鼓励持续性的对话。”

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18 Responses to “传奇的一小步——合成生命十五年”

  1. Ent说道:

    sf!

  2. gesila说道:

    “从丝状支原体中提取遗传物质,放入山羊支原体体内——两者间的亲缘关系‘跟老鼠和人类差不多’”看到这,我不禁浮想联翩,从老鼠中提取遗传物质,放入人体内,不久人“完全忘记了自己的本性,开始一丝不苟地按照外来遗传信息制造蛋白质、在环境中生存,变成了彻头彻尾的......”想到这,我不禁打了个寒颤,呵呵

  3. 天使第三翼说道:

    synthia的诞生可能是多莉后最吸引公众眼球的科学事件了

  4. Sheldon说道:

    那个甲基,酶是如何识别的呢?是不是类似钥匙和锁的关系?刚好匹配就成功了,多一个甲基就让酶卡在外面了?
    如果把甲基换成别的行不行呢?

  5. 窗敲雨说道:

    话说吧笔记本电脑放在那里可不是什么好事。。。

  6. 栖枫渡说道:

    这实在是太了不起了

  7. 老猫说道:

    哦,合成DNA啊,倒是不错的新的模式生物,人工合成生命?还远着吧……

  8. ba说道:

    放入含有四环素的环境培养,是不是应该叫人工选择呢.

  9. 0000说道:

    把它们放入含四环素的环境培养是不是该叫做人工选择呢.

  10. 豌豆tt说道:

    路过,帮顶。

  11. 霍森布鲁斯说道:

    非常喜欢这篇文章,尤其是叙事的逻辑思路,清晰明了。

  12. 八爪鱼说道:

    押题图不对嘛。seren对这幅画理解不清晰嘛。

  13. 卫珡说道:

    挑个小错:第二段中两种Mycoplasma的种小名,字首必须小写。另外几处亦有轻微格式错误。

  14. piccolo说道:

    不得不说,这个图用错了。这个图是上帝他老人家在创作亚当,怎么弄成亚当他娃在创作生命了?

  15. tideyzhang说道:

    全文对细菌与支原体的遗传物质都说成是染色体有些不妥吧,染色体仅针对真核细胞分裂期的DNA状态而言。

  16. wawa说道:

    不就变老鼠么,完成了72变的神迹,很好

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