合成生物學：正在起飛的技術

——首例人造生命開辟嶄新時代

“人造生命”如何誕生

　　美國生物學家克雷格·文特爾、漢密爾頓·史密斯及其同事在5月20日出版的美國《科學》雜志上宣布，他們創造了一個人造生命。更準確地說，他們利用實驗室里現成的化學物質，制造出了載有約1000個基因的DNA片斷。這是自萬物起源以來第一個沒有祖先的生命，這個名為"辛西婭"(synthia)的人造生物的誕生，意味著人造生命的時代已經來臨。

　　"科學家對基因修改的研究已有多年，但交換整個基因組則是完全不同的，其他一些研究通常所作的改變是將少量的基因從細菌中分離。現在我們可以從計算機中提取信息開始，可以從數字代碼開始，以四個實驗瓶中的化學物質(指組成DNA的A,T,G，C)創建新的遺傳密碼，我想這就是最大的不同。"

　　——克雷格·文特爾

　　曲折的創造生命之路

　　從最基本的生命組件創造一個活生生的有機生命，是文特爾15年前就有的一個雄心勃勃的理想。縱觀以往的生命史，生命的實質就是信息的傳遞，但是首個人造生命的誕生表明，不需要閃電的激活，不需要生命的代代相傳，就可以讓生命從最基本的組件中誕生，從非生命物質到活生生的生命，相比之下，以往的基因改造只是入門之作，而文特爾在合成生物學上跨出的這一步，才是真正掌握了操縱生命的藝術。

　　創造生命的探索之途歷經艱難和曲折。一開始，為了少些麻煩，文特爾盡可能地尋找最小的生物體，并想法將它弄得更小。他起先選擇的是一種生殖支原體，一種在生殖道中棲居的生物，是已知最小的非寄生細菌，只有485個基因，然后，將基因一個個剔除，看它是否還能存活，以確定哪些基因是可要可不要的，以期以一個更小的生命體來做合成生命的原型。

　　但這似乎走進了死胡同，雖然可以證明有100個基因并非是必需的，至少在適宜的實驗室環境下可以不需要，但一下子將這些基因全部剔除它卻無法存活，找出能夠生存的最小的基因組要花許多時間，因為這種支原體的生長速度十分緩慢。

　　更重要的是，需要較小基因組的理由也漸漸淡化。DNA合成技術日趨成熟，其價格越來越低，所以文特爾決定改而采用稍作修改的完整的支原體基因組。

　　2003年，文特爾合成了病毒Phi-X174的基因組，只有11個基因，但它卻并非第一個人工病毒，一年前，紐約州立大學石溪分校的一個研究小組復制了脊髓灰質炎病毒，不過非常衰弱，只能勉強繁殖。文特爾合成的病毒卻是貨真價實的，當病毒DNA注入宿主細胞時，宿主細胞的反應就像感染了真正的Phi-X174病毒一樣。

　　但是生殖支原體的生長緩慢還是個問題，于是研究小組改用了它親緣關系相近的絲狀支原體，只是它的DNA是前者的兩倍之多，不過以現在的技術這已經不構成什么問題了。為了容易辨別這種新的菌種的不同，文特爾和他的同事剔除了絲狀支原體中他們認為不需要的14個基因，然后加入了一些他們新設計的DNA，文特爾將這個過程稱作"嵌入水印"。

　　枯燥的實驗終于加入了一點有趣的東西。文特爾說，他們嵌入的"水印"中包括一段密碼，里面含有一個網站的網址和三句引文，只要你知道如何解密就行。水印的明文部分標名它是屬于文特爾的，編號為JCVI-syn1.0。

　　完成重塑的基因組被注入無基因細菌，含有這種細胞的液體被撒在瓊脂培養盤中，單個細菌的生長繁殖會在瓊脂上產生斑點，研究人員對一些繁殖茂盛的斑點進行DNA測序，現代基因測序技術可以迅速完成對支原體基因組的測序，檢測結果表明，菌群中確實包含有合成基因組。人造生命的杰作真的活了!

　　文特爾：聰明的"園丁"

　　生物技術有時更像人與自然交流的一種傳統方式：園藝。園藝技術主要是通過修剪與嫁接。以基因為"修剪嫁接"對象的生物技術卻遇到了這樣的攔路虎：生命體有自己的一套方式，而不管人類"主人"有什么打算。生物技術中的"修剪"包括去除一些雖對野生生命有好處但卻消耗能量，不利完成指定任務的特性，生物技術中的"嫁接"是添加進從別處轉移來的具有某種特性的基因。

　　文特爾還是希望能回到他最初的設想，通過完整而合理的"修剪嫁接"，創造一個最小的基因組。這個雄心勃勃的設想將成為生物科學的一個新的里程碑，生物技術將從逐個基因操控，發展為一個以"批量生產"方式改變生命的合成生物學產業。

　　為此，文特爾就像一個聰明的園丁一樣，在過去的十年里鍥而不舍地向這個方向努力。顯然，他為細菌互換"零部件"的想法十分成功。細菌族中的每個物種，或一群物種，都有一個由數百個或數千個基因構成的基因子集，這個基因子集來自于包含了無數個基因的基因庫。因此對雖有親緣關系但有很大不同的細菌進行比較，可以揭示一種與最小基因組概念類似的"核心能力"，以尋求制造出有實用價值的細菌(比如批量生產某種特效藥物)的途徑。

　　文特爾的目光并不僅僅放在細菌上，除了尋求最小基因組之外，他還瞄準了單細胞的藻類。從單細胞的細菌跨越到單細胞的藻類，聽起來是很短的一步。但在生物分類上，藻類與細菌是完全不同的，這一類生物包括動物、植物、真菌及藻類。

　　藻類的有趣還體現在其他方面。包括文特爾在內的許多人都想用藻類來制造生物燃料。它們可將大氣中和發電站排氣中的二氧化碳，通過光合作用轉化為石油或柴油。目前幾乎所有用來生產生物燃料的微生物都是通過發酵作用來實現這一目的的，利用藻類就可以省掉一些中間步驟。

　　文特爾的目的是要實現對細菌基因組的全面控制，將研究對象擴大到各種不同的微生物。他麾下的合成基因組公司已和Exxon簽約，將由其斥資6億美元，從藻類中制作生物燃料。文特爾表示要努力"建立完整的藻類基因組，這樣我們就可以改變藻類生長中50%-60%的參數，藉以形成各種超多產的有機體。"到目前為止，通過對眾多海水微生物DNA的分析，文特爾已擁有約4千萬種基因的庫存，其中大部分源自于藻類。他說，這些基因將是一筆可觀的資源，足以使捕獲的藻類產生有用的化學物質。

　　未來生命科學展望

　　然而，科學家的所有這些設想和努力，都要取決于一個因素：合成DNA價格的持續下降。這與戈登·摩爾關于電腦發展的著名定律很有些相似，過去十年里DNA測序和DNA修改的價格都在直線下跌。前者意味著世界上的DNA數據庫里已有了生命之樹各部分的大量基因數據，后者意味著這些基因的剪切粘貼都在變得越來越便捷容易。

　　合成生物學作為一種正在"起飛"的技術，不僅是件好事，而且于人類至關重要。創造一種新的實用生物體的過程將會是一種不斷失敗不斷嘗試的曲折過程，人工選擇的進化方式很可能會像自然選擇一樣，浪費大量的資源。但很多人對基因合成的繁殖方式有所擔憂，君不見電腦黑客制造的電腦"病毒"給人們帶來多大的煩惱，他們擔心，未來的黑客們也許會利用合成生物學，制造出真正的病毒。

　　無疑，這是一種風險。但幾乎所有技術都一樣，既可用來行善，也可用來作惡。用來制造病原體的技術也可用來制造疫苗。既能行善，且能帶來利益的事，總是比邪惡的欲望更能吸引更多的人，如此說法并非盲目樂觀。利用合成生物學，人們可以發明新的作物、新的燃料、新的疾病治療方法和新的藥物。當然，也可能會有人利用合成生物學技術做一些瘋狂的事情。

　　在科幻小說邁克爾·克萊頓的《侏羅紀公園》中，展現了恐龍復活的驚人場景，但實際上，沒有任何辦法利用存活下來的DNA直接讓生命復活。但是如今人類已經有了成功制造出基因組的能力，加上對復雜生物體有了更為深刻的理解，相信總有一天，合成生物學將能制造出做出類似恐龍的生物。

　　不過，雖然恐龍沒有留下可用的DNA，其他更晚滅絕的生物卻慷慨地給予了我們機會，想像一下，將合成生物學用于目前已完成測序的尼安德特人的基因組，再與現代人類的DNA相比較一下，看看有什么根本的不同，這是多么令人興奮的事情。如果能夠創造出一個尼安德特人出來，再親口問他一些問題，那將多有意思!不過，如果這種做法會引起倫理道德上的爭議的話，不妨來只遠古猛犸象試試怎么樣?

　　本版文章除署名外，均由方陵生、何積惠編譯