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人工生命: 从原核到真核

来源:南方周末 时间:五月 19, 2014, 2:50 p.m.

包括中国在内的多国科学家最近宣布,他们成功地合成了第一条能正常工作的酵母染色体。当越来越多的人工生命由不同国家的科学家合成出来后,这些国家也应该对此展开生命伦理和安全性的讨论与论证,并制定适当的预防政策。

现在,人工生命已经进入了一个崭新的阶段——创造真核细胞生命,这是迄今为止人工生命中的最高级形式。

关于生命,一直有两种解释。一种是“如吾所识的生命”(life as we know it),也就是地球上特殊的以水和碳为基础的生命。另一种是,“如其所能的生命”(life as it could be)。这种生命是除“如吾所识的生命”外的其他一切有可能存在的生命形式。而有可能存在的生命形式之一就是人工生命,即合成生命或人造生命。

酵母染色体

来自中国、澳大利亚、新加坡、英国、美国等国的研究人员在2014年3月27日的美国《科学》杂志发表文章,宣布他们成功合成了第一条能正常工作的酵母染色体,深圳华大基因研究院、天津大学、清华大学的研究人员负责了部分染色体的合成。

这一研究工作历时7年。研究人员利用计算机模拟出酵母菌16个染色体中最小的一个染色体synⅢ,这是对酵母菌的染色体Ⅲ进行了五百多处修改后获得的版本。另外,研究人员剔除了近4.8万处DNA重复片段以及垃圾DNA,并在DNA上添加了标签,以便将天然DNA和合成DNA区分开来。

这一成果被誉为合成生命的新高峰,也是向合成人造微生物等生命体迈出的一大步,其意义“就像第一个人类基因组被测序完成一样”。而且,现在合成的酵母染色体跨过了人工生命的一个较大的鸿沟,从合成原核生物迈向合成真核生物。在此之前,研究人员只是人工合成,或者说能够组装原核生物的基因组(如病毒、支原体等),却尚未合成真核生物(如酵母)的基因组。

原核生物是没有成形的细胞核或线粒体的一类单细胞生物。不过,原核生物仍然拥有细胞的基本构造并含有细胞质、细胞壁、细胞膜以及鞭毛。原核生物包括蓝细菌、细菌、古细菌、放线菌、立克次体、螺旋体、支原体和衣原体等。在原核生物中,除了支原体,其余的都有细胞壁。

真核生物是细胞具有细胞核的所有单细胞或多细胞生物的总称,包括所有动物、植物、真菌和其他具有膜包裹着的复杂亚细胞结构的生物。因此,真核生物与原核生物的重要区别是前者的细胞内含有成形的细胞核(细胞核有核膜);后者没有成形的细胞核(细胞核没有核膜)。而且许多真核细胞中还含有其他细胞器,如线粒体、叶绿体、高尔基体等。

现在人工合成的酵母菌染色体是用于发面的酵母,其基因组由1200万个核苷酸组成,它有16个染色体,其中最小的一个染色体是synⅢ,占酵母1200万个核苷酸的2.5%。在合成synⅢ后,研究人员在活体酵母菌细胞内放入人工合成的synⅢ,并进行测试,结果发现,配备有人工合成的synⅢ染色体版本的酵母菌功能与天然酵母菌的功能没有差别。这也意味着人工合成新生命的成功。

过去,人们用酵母来制造啤酒、生物燃料及药物,现在,酵母配备了全套合成的人工染色体后可能不仅具有原来的能力,还有比天然酵母更多的功能,例如,能完成天然酵母无法完成的事件,包括更快地培育新的酵母合成菌株,以便用于制造稀有药物,如治疗疟疾的青蒿素或治疗乙肝的疫苗等。另外,人工合成酵母还能用于生产高效生物燃料,如乙醇、丁醇和生物柴油等。

原核生物

人工合成生命最初取得标志性成功的要数对脊髓灰质炎病毒的人工合成。这种病毒是原核生物,其生命形式较为简单。脊髓灰质炎病毒是导致小儿麻痹症的元凶,为何研究人员要合成这种对人类有巨大危害的病毒呢?

事情起因于研究人员想要探明为何这种病毒会引发小儿麻痹症,而且脊髓灰质炎病毒是自然界中一种很简单的原核生物(生命),但是又会对人造成很大的伤害。只有了解了这种简单的原核生物,才有利于防治小儿麻痹症和其他类似的疾病。

脊髓灰质炎病毒是由单股RNA(核糖核酸)组成的,其基因组很小,只有7741个碱基。脊髓灰质炎病毒在感染人的细胞后,其RNA首先被翻译成单个的大蛋白,然后经过酶的作用化整为零,形成一群更小的蛋白以攻击中枢神经系统。而且,脊髓灰质炎病毒的繁殖方式也极其简单,它的单股RNA在侵入宿主细胞(人)后会首先转录成RNA负链,这些负链为合成正链单股RNA提供了模板。新合成的RNA正链又可以发挥信使RNA的功能,促使更多蛋白质合成。

以前,为了解脊髓灰质炎病毒,有的研究人员从活病毒中提取出RNA再造过一些脊髓灰质炎病毒。但是,2002年,美国纽约州立大学的埃卡特·温默(Eckard Wimmer)等人没有借助任何活细胞而是全部采用合成原料合成了脊髓灰质炎病毒。

由于RNA化学性质不稳定,温默等人从生物技术公司获得了脊髓灰质炎病毒RNA链遗传密码对应的互补DNA小片段,然后在DNA合成公司的协助下将它们连接起来。接着,研究人员再插入19个标记区分自然病毒与合成病毒,然后利用酶将DNA逆转为RNA,合成了脊髓灰质炎病毒的7500个碱基对。

结果显示,这个合成的脊髓灰质炎病毒能够感染和杀死人类细胞,并诱发小鼠罹患脊髓灰质炎。对小鼠进行试验发现,无论是对小鼠注入合成病毒还是自然病毒,它们都会在感染的一周后瘫痪,但是,合成的脊髓灰质炎病毒在功能和活性上比天然的脊髓灰质炎病毒要低很多,它们的寄生能力和杀死小鼠的效力至少比天然脊髓灰质炎病毒低1000倍。

合成这种病毒的一个最大益处是可以利用它们来生产脊髓灰质炎疫苗,而且可以让疫苗的储存时间延长。当然,这一研究也引发了批评,一些人认为,这为生物恐怖主义打开了一扇大门。

 

辛西娅

2010年5月,美国克莱格·文特尔研究所的研究人员创造了另一个人工生命,取名为辛西娅(Synthia,人造儿)。这个人工生命也是一种原核生物,即一种丝状支原体。

研究人员先是对支原体的基因组进行解码并复制,产生人工合成的基因组。然后,把合成的基因组移植入山羊支原体(M. capricolum)中,通过重启动程序,由细胞内的人工基因组主导细胞的分裂和增生,最终成为一种新的生命。

从人工脊髓灰质炎病毒到辛西娅,研究人员已经了解和掌握了制造人工生命的一些规律,需要分三步完成。一是对某种最简单的生命进行基因组的测序,以了解其DNA碱基的排序。二是根据这种自然生命碱基的排序来对一个个碱基进行人工排序,组建人工基因组。三是,为了证明这种人工排序的基因组(人造染色体)是否能创造生命,需要把它植入某种活细胞中,观察它们能否使细胞正常工作,或者产生出完全根据人工DNA指令生成的活体细胞。

辛西娅的诞生已经证明,人工合成的DNA植入活体细胞后,可以重新启动生命的复制程序。

 

是否会危害人类?

虽然人工生命对于人类具有种种的用途,但由此产生的另一个问题却引起了关注:它是否会给人类社会带来隐患,例如,被用于制造生物武器或创造怪物或超人?2010年文特尔等人创造出辛西娅时,美国就进行过多个领域和部门的听证会,这些部门包括国土安全办公室、科技政策办公室、国家生物安全科学顾问委员会、能源部、NIH等。听证会要求文特尔等人全面解释这一新生命的意义和应用。

当时,对合成新生命提出的问题概括为12个方面。其中包括:与合成生物相关的风险有哪些?这些技术的风险能使其潜在的利益黯然失色吗?有什么准备好的保护、控制措施以防止人工生命偶然地向环境释放?

对这些问题,文特尔和其他专家一一作了回答。对于人工合成新生命的安全问题,美国国家过敏和传染病研究所所长安东尼·福西(Anthony S. Fauci)表示,合成生物学与很多基因组技术一样,既能产生有益的生物工程微生物,也有可能创造对人类及环境有害的微生物,即产生通常所说的“双刃剑”问题。尽管文特尔等人的技术非常复杂和昂贵,他们开发出来的技术却也有可能被拥有广泛资源的邪恶者所利用。不过,介于自然本身就是一名已经存在的专家,它也在创造可对人类造成极大危害的微生物,因此合成生物学的最新进展并不一定会把人类带到比现有技术或自然本身更接近伤害的道路。

现在,面对合成生物学或合成生命并不比自然生命有害的观点,还是有相当多的专业人员表示了担忧。例如合成了脊髓灰质炎病毒的温默就认为,存在着不幸误用的可能性。

当更高级的新生命和越来越多的人工生命由不同国家的科学家合成出来后,包括中国在内的其他国家也应该像美国那样对此展开生命伦理和安全性的讨论与论证,且应该向公众解释清楚。此外,管理部门也应该及时制定适当的政策。


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