■ 李大可

人造生命邁出關(guān)鍵一步

2010年5月20日，美國(guó)著名分子生物學(xué)家克雷格·文特爾領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，宣稱(chēng)他們利用人工合成的基因組，創(chuàng)造出世界上第一個(gè)人造細(xì)胞，取名為“辛西婭”。消息一出，全球媒體紛紛對(duì)這個(gè)神奇細(xì)胞進(jìn)行大幅報(bào)道。這個(gè)標(biāo)志著人類(lèi)“第二次創(chuàng)世紀(jì)”的重要嘗試，更被賦予了“人造生命”的美稱(chēng)。

“辛西婭”是一種最小、最簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生命——支原體。支原體是一類(lèi)已知的可以自由生活的最小生物，也是最小的原核細(xì)胞。與細(xì)菌相比，它們的突出特點(diǎn)是沒(méi)有細(xì)胞壁。盡管“辛西婭”能否稱(chēng)得上人造生命仍然眾說(shuō)紛紜，盡管“辛西婭”的產(chǎn)生仍然沒(méi)有脫離遺傳物質(zhì)從一種生物細(xì)胞轉(zhuǎn)入另一種生物細(xì)胞的俗套，但是其誕生卻是人造生命征途上最重要、最關(guān)鍵的一步。

“辛西婭”的誕生，固然需要匪夷所思的復(fù)雜技術(shù)。但是在文特爾的表述下，整個(gè)過(guò)程卻出人意料的簡(jiǎn)單。首先，他們選取了一種蕈狀支原體，對(duì)這種支原體的基因組進(jìn)行測(cè)序，以了解其DNA堿基的排序。然后，根據(jù)這種自然生命堿基的排序，對(duì)一個(gè)個(gè)堿基進(jìn)行人工排序，從而組建人造基因組。最后，將這種人造基因組移植到另一種去除了遺傳物質(zhì)的山羊支原體中。在人造基因組的驅(qū)動(dòng)下，新細(xì)胞開(kāi)始分裂和增生，山羊支原體逐漸被人造基因組控制，最終成為一種自然界原本不存在的“人造細(xì)胞”——“辛西婭”。

實(shí)驗(yàn)原理聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但操作起來(lái)卻是非常的艱難。數(shù)十名大牌科學(xué)家組成的精英團(tuán)隊(duì)，用了近15年的時(shí)間、耗資4000多萬(wàn)美元，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次失敗，才最終完成此項(xiàng)工作。

“辛西婭”的前世今生

回顧文特爾團(tuán)隊(duì)研制人造細(xì)胞的歷程，這項(xiàng)工作早在1995年就開(kāi)始了。2002年，他們破譯了生殖支原體的基因組，這些“小東西”只有一條染色體，僅僅包含517個(gè)基因、58.297萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)。而我們?nèi)祟?lèi)，每個(gè)細(xì)胞里都有23對(duì)染色體、30多億對(duì)堿基、2萬(wàn)來(lái)個(gè)基因。

文特爾和史密斯研究小組在完成生殖支原體基因序列的測(cè)定之后，試圖在實(shí)驗(yàn)室中重建這種細(xì)菌的基因組。但是，完整地合成生殖支原體的基因組是一項(xiàng)艱難的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊腄NA長(zhǎng)鏈非常容易斷裂。為了解決這個(gè)難題，研究者們首先由獲取生殖支原體基因組的原始排序開(kāi)始，然后在實(shí)驗(yàn)室里將核酸堿基逐個(gè)累加，制造出較短的基因片段。這些基因片斷由大約6000個(gè)堿基組成，其中的一些片段還包含有“水印”。當(dāng)然，這里的“水印”，并不是說(shuō)你把一個(gè)細(xì)菌正對(duì)著光觀察，它身上會(huì)顯現(xiàn)出某個(gè)特殊的圖案。而是用加密的方式，把一段信息編進(jìn)了合成的基因組中的某處。然后，用一種酶把DNA片斷連接起來(lái)，使得DNA變得越來(lái)越長(zhǎng)，直到其長(zhǎng)度達(dá)到整個(gè)基因組的1/4。最后，將這些1/4基因組長(zhǎng)度的DNA鏈插入酵母。酵母通過(guò)復(fù)制和組合，使這些片段成為一個(gè)完整的染色體。2008年初，研究人員對(duì)他們新組建的生殖支原體基因組進(jìn)行了測(cè)序，結(jié)果表明，除了“水印”部分外，這個(gè)人造的生殖支原體基因組與自然的生殖支原體基因組一模一樣。

當(dāng)時(shí)許多人猜測(cè)，這種基因組或許能夠馬上用來(lái)激活細(xì)胞，制造新的生命體。但是，這種特定的細(xì)胞類(lèi)型，并不是理想的研究對(duì)象。其中一個(gè)問(wèn)題就是，生殖支原體的生長(zhǎng)速率極端的慢。對(duì)于每一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，往往需要一個(gè)多月才能得到結(jié)果。

此時(shí)，由克雷格·文特爾研究所的丹尼爾·吉布森領(lǐng)導(dǎo)的另外一個(gè)研究小組開(kāi)始尋找替代實(shí)驗(yàn)對(duì)象。他們最終選取了體積比生殖支原體大、生長(zhǎng)速度比生殖支原體快的蕈狀支原體。蕈狀支原體的基因組只有108萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)。研究人員把它的染色體解碼，然后利用化學(xué)方法一點(diǎn)一點(diǎn)地重新排列這種支原體的DNA序列，即對(duì)4個(gè)堿基對(duì)腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶一一排序，最后形成4條DNA鏈。這些DNA鏈被分別放進(jìn)4個(gè)盛有化學(xué)液的瓶子，然后把這4瓶DNA液體裝進(jìn)一盤(pán)酵母菌中，依靠酵母把4條DNA鏈聚合起來(lái)。然后，由約翰·格拉斯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將人造DNA植入山羊支原體中。

科學(xué)家的最終目標(biāo)是，在二種細(xì)胞的雜交體分裂時(shí)，一種基因組（山羊支原體的天然DNA）應(yīng)當(dāng)在子細(xì)胞中死亡，而另一種的基因組（蕈狀支原體的合成DNA）應(yīng)留下來(lái)，這才能檢驗(yàn)合成的DNA是否具有復(fù)制和產(chǎn)生新生命的功能。他們采用的方法是用抗生素來(lái)殺死前者，而保留后者。由于供體蕈狀支原體的基因組中包含了一種耐受特殊抗生素的基因，所以可以用抗生素來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。這樣，存活的蕈狀支原體基因組（人工合成基因組）就會(huì)指令細(xì)胞不斷復(fù)制，從而產(chǎn)生出更多的細(xì)胞。

相比合成基因這個(gè)步驟，讓新基因組取代宿主細(xì)胞的原基因組難度更大。這不僅意味著要把新基因組裝入宿主細(xì)胞，還要讓細(xì)胞自己的基因組消失。山羊支原體屬于“原核細(xì)胞”，而酵母則屬于另一種類(lèi)“真核細(xì)胞”。天然情況下，原核細(xì)胞有一種自我保護(hù)機(jī)制，它們給自己的DNA穿上一件衣服。外來(lái)的敵人，比如病毒的DNA沒(méi)有這件外衣，因此一旦進(jìn)入原核細(xì)胞很快就會(huì)被發(fā)現(xiàn)，然后被細(xì)胞消滅。問(wèn)題在于，科學(xué)家通過(guò)酵母組裝的新基因組沒(méi)有穿上原核細(xì)胞能夠識(shí)別的外衣，一旦進(jìn)入寄主細(xì)胞內(nèi)，就會(huì)被降解消滅。所以，科學(xué)家在將新合成的DNA分離出來(lái)以后，給它們?nèi)斯ご┥弦路?，并用遺傳學(xué)的方法去除宿主細(xì)胞對(duì)DNA的識(shí)別保護(hù)機(jī)制，它的原基因組就會(huì)被新基因組設(shè)法分解消滅掉。

退回10年，以上每一步工作都是異常艱辛。但是進(jìn)入“后基因組時(shí)代”，被譽(yù)為“解析生命密碼”的DNA測(cè)序變得成本越來(lái)越低、速度越來(lái)越快。當(dāng)年耗時(shí)數(shù)年、耗費(fèi)數(shù)百萬(wàn)美元的工作，如今也許在幾天內(nèi)、花費(fèi)幾千美元就可以解決。另外，基因數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容不斷擴(kuò)充，DNA合成技術(shù)日臻成熟，染色體移植技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)。因此，“辛西婭”的誕生，在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)并不突然。從理論上講，如果這項(xiàng)研究可以繼續(xù)深入下去，就有可能創(chuàng)造出更加復(fù)雜的生命體，例如植物或者動(dòng)物。

作為一名足夠瘋狂的科學(xué)家，文特爾還把一堆信息作為“水印”加入了自己合成的基因組。我們知道DNA這本天書(shū)只由A、T、C、G4個(gè)字母組成。要用這4個(gè)字母表達(dá)復(fù)雜的信息，就需要一定的加密方式。文特爾用的是最簡(jiǎn)單的加密方式——氨基酸密碼子。眾所周知的遺傳的中心法則就是，遺傳信息從DNA轉(zhuǎn)錄成RNA，再?gòu)腞NA翻譯成蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成，而每一個(gè)氨基酸由信使RNA上的3個(gè)堿基唯一確定，那3個(gè)堿基即為密碼子。在全部4條“水印”中，第一條據(jù)稱(chēng)是對(duì)編碼系統(tǒng)的解釋說(shuō)明；第2條“水印”是一條可讓破解出的人訪問(wèn)的網(wǎng)址；接下來(lái)的“水印”包括了46名研究者的名字；最后一條“水印”則是一串英文箴言。在DNA里加“水印”有二個(gè)目的：其一，作為證明，告訴他人這基因組確實(shí)是人工合成的；其二，防止盜版，以后再出現(xiàn)的新合成生物拿來(lái)測(cè)序看看有沒(méi)有這段“水印”，就知道自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)是否受到了侵犯。（待續(xù)）