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译者:nohbdy

译者自我简介:本名陈纾,80后脑力民工。原为艺术院校毕业,主修油画和平面设计。爱好科学,喜欢科学松鼠会。 自知本篇译文还有诸多不足,让各位见笑了。

校对:绵羊C

小红花等级:3.5朵

自动基因修补机初露峥嵘——这台机器可以用来改写生命的代码并且创造出新的人种。

这是一件粗陋与美丽的奇异融合体。在一张看起来很廉价的工作台上,一套五颜六色的烧瓶、托盘和导管挤在一个自制框架里。空的移液枪枪头一排排地整装待命。黑色和灰色的电线一捆捆地点缀着机器的边角。在顶部,机械臂沿金属轨道有序地来回滑动,将液体滴入不同的间隔中,仿佛繁复而精细的舞步。在间隔里,细菌通过细塑料管分流,并交替缓慢加热、冷却和通电。整台设备大约一米半宽,由一台普通的电脑控制。

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图1 MAGE 进化机

来,打个招呼,这就是进化机。它可以在数天内完成基因工程师需要数年才能完成的工作。到目前为止它仅仅是一个雏形,但如果它的开发者得到认可,那么未来版本的进化机就可能彻底改变生物学,使我们能轻松地衍变出新的生物体或重写整个基因组。它甚至可能改变人类自己。

在当今时代,你生活中的一切——从食物到衣服再到药品,都很可能来自转基因植物或细菌。如果说第一代的生物工程产品,只对农民和制造商产生了巨大的冲击,而并不对消费者产生什么影响的话,这仅仅是个开始。到目前为止,生物工程产品只是用相对简单和粗糙的方式进行基因改造 ,这些方法往往只涉及一个或两个基因。然而为了实现自己更宏伟的理想——比如创造可以大量生产汽车燃料的藻类——遗传工程师们现在正试图做更彻底的变化。

豪情壮志

可是直到目前,即使只改变少数基因也需要耗费大量时间和资金。例如,设计出可以生产抗疟疾药物青蒿素的酵母已被誉为是合成生物学的伟大成就之一。然而,花费150人数年(人年数是以年数来表示的所观察的全体个人在该年或该时期内可能经历该事件的时间总和,例如:用药10人数年=1人用药10年=2人用药5年=10人用药1年,以此类推。————校译者注)和2500万美元也只是新增或调整了十几个基因而已,商业化生产还没有开始呢。这是一项非常困难和耗时的任务,因为生物系统是如此复杂。即使是一个简单的性状也通常涉及许多不同的网络,这些基因的表现可能无法预测。对基因的改变往往达不到预期的效果,并且对基因逐个微调从而达到目的的方法非常漫长而艰苦。

许多生物学家认为设法消除那些仅凭猜测而进行的工作是解决问题的王道。他们正在创建现成的即插即用组件库,使用这些组件建造的基因链稳定可靠。但乔治·丘奇,一位来自波士顿哈佛医学院的遗传学家认为,有一种更为快捷的方式:让进化过程为我们承担所有困难的工作。他的想法是不必试图设计出每一个性状基因链的方方面面,甚至精细到每一个碱基对,而是拿出一个相对粗略的设计,而后(通过自身进化进程)制造出这个设计的许多变种,并选择那些表现最好的作为成品。

这种基本思路并非原创;各种形式的定向进化(DE)方法已经用于设计从蛋白质到船只等等各种各样的东西(此处的“定向进化”指的是一种设计思考方式,“进化”是指设计方案的优化,而不单单限定于生物学领域, 详见http://www.ideationtriz.com/new/materials/directedevolutionbook.pdf的“Directed Evolution Philosophy, theory and practice” —— 译者注)。不过,丘奇的小组开发出了能“进化”整个生物体的机器——并且它能以前所未有的规模和速度进行生产。该系统具备一次添加、改变或关闭数千个基因的潜力——丘奇称其为“多路修改”——它可以在数天内产生数十亿种新的生物种类。

当然,从施用放射到接触危险化学品,目前已经有足够多的办法可以造成细胞内突变。丘奇机器的不同之处在于,它可以针对影响某一特征的基因并特定的改变它们。这大大提高了成功的几率。实际上,生物工程师们与其花费数年时间引入一种明确的变化方案,不如一次就能试验上千种组合。来自麻省理工学院媒体实验室的生物工程师彼得·卡尔参与了小组的技术开发工作,他将这项技术描述为“高度定向进化”。

第一个“进化机”是由丘奇实验室的研究生哈里斯·王建造的。为了验证机器有效,他选取了一种大肠杆菌,这种大肠杆菌能产生少量茄红素,即那种使西红柿看起来是红色的色素。这种菌株的基因修改使它也能产生一些病毒酶。接下来他合成了50,000条DNA单链,这几乎与产生茄红素相关的24个基因的所有序列数量相当,且这些单链的多样性程度——按他所希望的——应当可以影响茄红素的产生量。之后,这些DNA单链和大肠杆菌都被放入进化机器。

机器让大肠杆菌大量繁殖,并使它们与DNA链混合,而后采用一次电击打开细菌细胞膜以使DNA进入细胞。在细胞内,一些新的DNA与细胞基因组上相匹配的目标序列互换。这个过程被称为同源重组,通常很罕见,而病毒酶就是在这个过程中发挥作用。病毒酶欺骗细胞将新加入的DNA当成是它们自己的,这大大提高了同源重组的发生机率。

实验效果应是在其余基因组不受影响的前提下创造出针对靶点目标基因的新变种。但是任何细胞中都不可能出现所有24个基因的同时突变,因此需要不断周而复始地重复这样的进化周期,以提高所有24个基因位点完全突变的细胞的比例。

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附图2的MAGE进化实验原理示意图

在重复上述过程35次后,总共产生了大约150亿个新品种,而每一个新的变种都拥有目标基因的不同的变化组合。有些变种能产生的茄红素是原有品种的五倍多,王的研究小组在2009年报告了这项成果(《自然》杂志,460卷,P894)。

王仅用三天所做到的就超越了生物合成工业领域花数年可取得的成果。而这并不是终点——在此之后他开始将这项技术用于生成纺织用染料靛蓝色素。

丘奇称这种大胆的做法为多重自动基因工程,或缩写为“MAGE”。本质上来说,他已经把引领DNA测序惊人发展的中心原理——并行处理和自动化——应用到了基因工程中。并且丘奇是人类基因组计划的创始人之一并帮助发展了现代基因测序方法,因此他知道他所做的意味着什么。

正如世界各地的实验室都在购买数以千计的DNA自动测序机,丘奇认为他们也会购买自动进化机。他希望以相对便宜的价格出售它们,每台大约90000美元。我们致力于使价格降下来使每个人都能使用这样的设备,而不是把它做成某种不可重复的大项目。丘奇说。他希望这些机器能大大加快生产新型微生物的过程。LS9是一家总部位于旧金山附近的生物燃料公司,由丘奇参与创立。公司表示希望利用MAGE技术改造大肠杆菌使其生产可再生燃料。丘奇和他的同事们也正改进方法,使其可以用于其它有用的细菌,包括希瓦氏菌,它可以将有毒金属,如铀,转换为不可溶的化合物形式;还有蓝藻,它可从灯光光合作用中提取能量。

大革命

原则上,这项技术可以用于植物、动物细胞以及微生物。新方法必须开发出可以诱导各种生物细胞允许特制DNA取代自身DNA的技术,但丘奇和他的同事说目前研究已经在酵母和哺乳动物细胞上取得进展。

我认为这是基因工程的一个巨大变革,克里斯塔拉·琼斯·普拉瑟说,她是美国麻省理工学院的生物工程师但并非丘奇的合作者。你不必事先知道最后的结果。你可以在同一时间处理多个事情,让细胞为你找到解决方案。

由于生物系统是如此复杂,同时调整大量的基因的做法相对于一次一个地调整具有巨大优势,她说。几乎每一次你都会得到不同的并且比以前更好的结果。

但是丘奇的方法的缺点是,这些更好的解决方案总是夹杂在数百万更差的解决方案之间。普拉瑟指出,该技术的限制在于如何更简单地将所需的特征筛选出来。王为了选出优良的生产茄红素的大肠杆菌,培养了他在培养皿中创造的菌株中的十万种,而后简单地选出最亮红的菌落。实际上,在我们实验室中使用的(目标物种)可没有那么容易筛选出来普拉瑟说。

不过我们可以 通过自动选择并使用一些技巧,使筛选更加细微的特性变的可行。例如,可以在起始菌株中植入生物传感器,当特定的物质被制造出来时传感器会发光以标示。随着制造新物种的能力不断提高,我们必须配以更灵活的物种选择与筛选。丘奇说。

尽管这个方法已如此具有革命性,丘奇认为MAGE技术的最深远潜力还不止于此。他估计,将有可能通过进化机使一个细胞的DNA发生数以千计的特定变化:即从根本上改写基因组。

直到目前,即便在最小的基因组上进行大范围的修改都是非常昂贵且费力的。去年,生物学家兼企业家克雷格·文特尔宣布,他的团队已经用一段人工编写的基因组取代了一个细菌的原有基因组(《科学》杂志,卷32952页)。他的研究小组以特定的序列合成了一些小片段DNA,然后将它们连接在一起形成一个完整的基因组。这是一个了不起的成就,但也耗费了400人数年的劳动力和约4000万美元的费用。

丘奇认为 MAGE可以通过重写现有基因组的方法更廉价而高效的完成相同的工作。他的想法是,与其将不同突变形式的DNA链都投入机器,不如直接添加只具有所需的特定变化的DNA。即使你试图一次就改变数百或数千个基因,在机器的几轮运行以后,那些符合要求的细胞的比例也将达到良好的水平。这个结果可以通过基因测序进行检查。

如果这个想法可行,它将使一些目前因极为困难而停留在空想阶段的计划看见曙光。不言而喻,丘奇也抱负着一定的雄心。事实上,这也是他设计MAGE的首要原因。

2004年,他联合了约瑟夫·雅各布森——一个麻省理工学院媒体实验室工程师,他以发明电子书所使用的电子墨水技术而为人称道。在追寻一个生物工程的伟大目标的途中,他们灵光乍现地有了改变生命遗传密码的想法。这不仅仅是改变DNA序列那么简单,他们甚至想要改写那种书写生命指令的语言。

这并没有像听上去那么可怕。因为所有现存的生物根本上都是采用相同的遗传密码,而那些使用不同代码翻译DNA的生物体被一堵遗传防火墙阻挡,无法与正常生物交换DNA。假如它们逃至外界,也无法将任何经过设计的部分传播出去。同样它们也无法从天然的细菌中获取抗生素耐受性和产生毒素的基因。任何新进来的或逃出去的DNA都不会起作用丘奇说。我们希望那些关注生物工业生产过程中逃逸的人们,也包括我们自己,会发现这些新物种更安全。

还有一个巨大的优势就是:这些改变了遗传密码的生物体将对病毒有免疫力,病毒们依赖细胞的蛋白质制造机制进行自我复制。而在一个使用不同遗传密码的细胞内,病毒的蓝图将被误译,产生的蛋白质也会出现乱码,并无法形成新的病毒。

若将这项技术应用在生产化学物质的细菌或细胞株上,将对工业具有巨大的意义,因为病毒的感染可使整个生产线关闭。而且这种方法并不一定局限于细胞。可以想象,它也适用于动物。卡尔说。

完全病毒免疫

卡尔和他的同事们已经开始去除大肠杆菌基因组内多余的密码子。他们从最稀有的终止密码子TAG开始,它总共出现了314次。每个TAG都将被替换为不同的终止密码子TAA。到目前为止,他们已经使用MAGE创建了32种大肠杆菌菌株,每种都各自进行约10项必要的修改,之后他们将所有菌株结合并创造具有所有改变的单一菌株。卡尔说,这项工作应在未来数月内完成,之后他希望开始取代另外12种多余的密码子。他说,为了使菌株对病毒完全免疫,可能需要更换的冗余密码子数以万计,并且也要修改蛋白质制造机能,这样它们就不再识别这些密码子了。

为了确保新的基因在转嫁到其他生物体上时不能被翻译,团队将必须更进一步,重新分配密码子,使得它们被翻译时加到蛋白质上的是一个全新的氨基酸。这可能包括自然界中没有的氨基酸,它们打开了通向新型活体细胞内化学的大门。人造氨基酸可用于制造不易降解的蛋白质,例如,可被用于工业和制药领域的蛋白质。

可是,生产抗病毒的生物体也有潜在的风险。最显而易见的是,如果它们逃逸到自然环境中,它们可能比同类品种拥有更多竞争优势,从而让它们能够占据支配地位并具有潜在的破坏性。就大肠杆菌而言,这些环境可能也包括我们的消化道。

我们要非常小心。目的是让这些生物体与能和它们相互作用的天然环境相隔离,卡尔说。我们不应该假装我们了解所有可能的后果,并且我们也需要仔细研究这些被改变的生物体。但他也指出,我们已经在面对类似问题了,例如在许多国家,入侵物种在没有天敌的情况下肆意蔓延。还可以建立额外的保障措施,例如,培养出的生物必须依靠在实验室或工厂中才能获得的营养物质生存。即便在最坏的情况下,生物学家也要能制造杀死这种有害微生物的病毒,而这种病毒将无法感染正常细胞。

丘奇提出,只要通过适当的安全和管理控制,没有任何理由阻止这种方法广泛应用。我认为,在一定程度上人们总是希望每一种生物都能抵抗多种病毒,他说。起码对于工业微生物、农业作物还有人类是如此。

是的,人类。丘奇已经修改了MAGE方法以适用于人类干细胞系的基因改造。这项工作由美国国家人类基因组研究所资助,旨在创建基因组有细微不同的人类细胞系,以测试何种突变因何引起疾病的理论。现在的基因测序已经比原先便宜一百万倍,并且有比原先多百万倍的假设正在生成,他说。我们想要开发这种资源,使人们可以通过快速测试新版本基因组来验证关于人类基因组的假设。

丘奇说, 随着技术的提高并常规化,它也可以用来改变细胞疗法所用的细胞。比方说,采用干细胞培育的组织工程学肝脏,肝细胞的基因代码有可能改变,以使他们不受如丙肝病毒等病毒的破坏。

每个接受干细胞疗法的人都可以选择普通干细胞——自体细胞或供体细胞——或有抗病毒性的干细胞,他说。虽然这有待于全面的安全检查和美国食品及药品监督局的认可等种种的考验,但是,当人们面临两个都比较安全的选择,一种是病毒易感型的而另一种是抗病毒型的时候,绝大多数会选择抗病毒的那一种。

当然,有巨大的实验性和安全性障碍需要克服。尤其是无论基因靶向使用同源重组或任何其他方法都不是完美的事实——有时候新添加的DNA会插入基因组中错误的地方,而这个过程也会触发其他类型的突变。这种脱靶造成的变异在一次同时进行数百个靶向改变的时候,可能是一个大问题。

所以毫不奇怪地,卡尔将其描述为对人类充满了危险的行动。但丘奇认为,当我们真的发展到这样一个程度,很多人得益于抗病毒的组织或器官,许多家畜完全抗病毒,那医疗机构可以接生出抗病毒婴儿也只是一个时间问题。如果它真的很好,那有些人就将决定在下一代进行尝试。

对人类基因组进行可遗传到后代的改变一直被视为禁忌。但是丘奇指出,例如当初体外受精和器官移植还是新技术时,对它们也存在强烈的抵触,然而一旦被证实可行,它们很快就被接受了。许多新技术都是这样发展起来的他说。但一旦技术的作用非常显著,大家反而会说,不使用它们才是不道德的。

来自费城宾夕法尼亚大学的生物伦理学家亚瑟卡·普兰负责就生殖技术方面向美国政府提供建议,他对于制造抗病毒人的想法持怀疑态度,因为任何被这种方式修改过基因的人只能选择经过同样基因修改的人为伴侣才能够自然受孕。对于未来的转基因人来说,你会剥夺一个人极为重要的选择权。

但是他说,如果MAGE真的可以用来编辑人体细胞基因组,它将提供一种方法来解决导致遗传性疾病的突变。这可能是一项打开人类基因工程新领域的技术。我们现在就应该开始讨论如何最好地发挥它的作用,卡普兰说。它是应该被仅仅限制在预防疾病方面,还是扩展到增强能力方面?需要什么样的监管?而谁又有资格进行监管呢?这些问题看似还遥不可及,但卡普兰认为,如果该技术其它物种上的尝试结果乐观的话,它可能在短短10年内就被尝试用于人类基因工程。如果你开始在微生物领域使用这项技术,那么接下来就是动物,而后连你自己都会感到怎么这么快就轮到人类了。他说。你需要注意那些在较低级的生物上使用的技术,因为它们总会慢慢应用到人身上。

如果这一切听起来疯狂得令人难以置信,那么请想想,仅仅在几年前测定完整的人类基因组的想法还是几乎不可能实现的。现在,这已经迅速地成为日常工作了。大多数生物学家可能都会同意,开发出任意重写生物DNA所需的技术只是一个时间问题。如果丘奇的技术成功,这个未来会来得比任何人想象的更快。

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15 Responses to “[小红猪]进化机器:基因工程快速前进”

  1. ZnO说道:

    乍一看还以为是MAGI呢……

  2. 凌枫·晓云天沁说道:

    感觉和现在的药物合成方法类似,也是先衍生出极大量的衍生物,再从中筛选有价值的化合物并进行研究与合成。
    不过我的顾虑是,衍生容易筛选难,而且很有可能漏掉有价值的品种,这种事情历史上发生很多次了
    PS:大刘的《魔鬼积木》就是写的这个,大家不妨看看,人类真的准备好承担后果了么?

  3. 夜风过耳说道:

    我觉得,这没有什么办法避免,有人说,一个小实验室就可以将感冒病毒和爱滋病毒拼接,那我们应该庆幸还没人这么做

  4. siberiamao说道:

    译得好,nohbdy可否提供原文链接?

    • nohbdy说道:

      原文就是抢稿的内容,想要的话,发我邮件,回你。nohbdynet@163.com

  5. 银河阿库拉说道:

    星际争霸2里出现的混种不也是一样么,雷诺拿他一点辙都没有。

  6. 黑斯通说道:

    先赞叹一下他们的想法!

    但这种完全抗病毒生物真的可行么?我的意思是当使用新的遗传密码的生物大量推广后预计自然迟早会进化出对应的病毒吧。也有人工“翻译”出的新病毒泄露的问题。

    • nohbdy说道:

      上帝(假设存在的话)在创造一种生命的时候同时也会考虑它的死亡之路。生物系统不只是一个链条那么简单,如霍金言,一个原子的细微偏移也可以成为创生宇宙的契机。那么一种新生命形式的出现会不会也成为制造风暴的蝴蝶翅膀风呢?谁知道?谁都不知道。

      正好昨天和同事回顾了个经典片子 猪猡鸡公园 1 :P。 里面的一句话说得很好 “生命会自己找到出路”。人为控制真的能够万无一失吗,即便是上帝设置的重重防范——生殖壁垒——也难免百密一疏。就好比疯牛病这种调调,上帝怎么知道人能想出拿羊来喂牛这种损招?确实,物种间壁垒,乃至基因转译方式的隔绝都不过是一条有一条马其诺防线,学会如何冲破它们是生命的本能,生存的欲望会跨越一切貌似天渊的鸿沟,就看需不需要了。

      不过,人类之所以成为现在这样就是因为我们从创生之初就一直在做着模仿上帝的事情。好吧,伊甸园里禁忌树上的那颗香喷喷的蛇果,名叫“知识”。

  7. 疯和尚说道:

    不过就是个高通量做电转化的自动工作站而已,我还以为原理上有啥重大突破呢。。。。。

  8. 蒙牛过江说道:

    高通量是不够的,感觉重点是选择的强度和效率

  9. jinxi说道:

    谢谢作者。讲的非常不错。MAGE也是很有前途的技术。

    有个小建议:
    MAGE这个技术的难点是用什么方法筛选。发表的论文用的是颜色,最简单。但是遇到困难一些的问题就不好说了,比如里面提到的LS9。据我所知,LS9的研发重点并非使用MAGE产生大量的变异株之后筛选,而是仔细研究脂肪酸合成路线中速率瓶颈的环节,并且加以改进。

  10. 愚公移山说道:

    看了您的文章感受颇多,希望进一步交流,西安刘老师,电话13186010860,如果不便,多包涵

  11. Hobs说道:

    我说将来就是生化人的世界,可不可能?

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