人造生命的技術(shù)難題和倫理安全挑戰(zhàn)（上）

■ 李大可

人造生命邁出關(guān)鍵一步

2010年5月20日，美國著名分子生物學家克雷格·文特爾領(lǐng)導的科研團隊在《科學》雜志上發(fā)表論文，宣稱他們利用人工合成的基因組，創(chuàng)造出世界上第一個人造細胞，取名為“辛西婭”。消息一出，全球媒體紛紛對這個神奇細胞進行大幅報道。這個標志著人類“第二次創(chuàng)世紀”的重要嘗試，更被賦予了“人造生命”的美稱。

“辛西婭”是一種最小、最簡單的單細胞生命——支原體。支原體是一類已知的可以自由生活的最小生物，也是最小的原核細胞。與細菌相比，它們的突出特點是沒有細胞壁。盡管“辛西婭”能否稱得上人造生命仍然眾說紛紜，盡管“辛西婭”的產(chǎn)生仍然沒有脫離遺傳物質(zhì)從一種生物細胞轉(zhuǎn)入另一種生物細胞的俗套，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雜技術(shù)。但是在文特爾的表述下，整個過程卻出人意料的簡單。首先，他們選取了一種蕈狀支原體，對這種支原體的基因組進行測序，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，對一個個堿基進行人工排序，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)動下，新細胞開始分裂和增生，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“人造細胞”——“辛西婭”。

實驗原理聽起來很簡單，但操作起來卻是非常的艱難。數(shù)十名大牌科學家組成的精英團隊，用了近15年的時間、耗資4000多萬美元，經(jīng)過無數(shù)次失敗，才最終完成此項工作。

“辛西婭”的前世今生

回顧文特爾團隊研制人造細胞的歷程，這項工作早在1995年就開始了。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個基因、58.297萬個堿基對。而我們?nèi)祟?，每個細胞里都有23對染色體、30多億對堿基、2萬來個基因。

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定之后，試圖在實驗室中重建這種細菌的基因組。但是，完整地合成生殖支原體的基因組是一項艱難的挑戰(zhàn)，因為它們的DNA長鏈非常容易斷裂。為了解決這個難題，研究者們首先由獲取生殖支原體基因組的原始排序開始，然后在實驗室里將核酸堿基逐個累加，制造出較短的基因片段。這些基因片斷由大約6000個堿基組成，其中的一些片段還包含有“水印”。當然，這里的“水印”，并不是說你把一個細菌正對著光觀察，它身上會顯現(xiàn)出某個特殊的圖案。而是用加密的方式，把一段信息編進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，使得DNA變得越來越長，直到其長度達到整個基因組的1/4。最后，將這些1/4基因組長度的DNA鏈插入酵母。酵母通過復制和組合，使這些片段成為一個完整的染色體。2008年初，研究人員對他們新組建的生殖支原體基因組進行了測序，結(jié)果表明，除了“水印”部分外，這個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。

當時許多人猜測，這種基因組或許能夠馬上用來激活細胞，制造新的生命體。但是，這種特定的細胞類型，并不是理想的研究對象。其中一個問題就是，生殖支原體的生長速率極端的慢。對于每一項實驗，往往需要一個多月才能得到結(jié)果。

此時，由克雷格·文特爾研究所的丹尼爾·吉布森領(lǐng)導的另外一個研究小組開始尋找替代實驗對象。他們最終選取了體積比生殖支原體大、生長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108萬個堿基對。研究人員把它的染色體解碼，然后利用化學方法一點一點地重新排列這種支原體的DNA序列，即對4個堿基對腺嘌呤、鳥嘌呤、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4個盛有化學液的瓶子，然后把這4瓶DNA液體裝進一盤酵母菌中，依靠酵母把4條DNA鏈聚合起來。然后，由約翰·格拉斯領(lǐng)導的研究小組將人造DNA植入山羊支原體中。

科學家的最終目標是，在二種細胞的雜交體分裂時，一種基因組（山羊支原體的天然DNA）應(yīng)當在子細胞中死亡，而另一種的基因組（蕈狀支原體的合成DNA）應(yīng)留下來，這才能檢驗合成的DNA是否具有復制和產(chǎn)生新生命的功能。他們采用的方法是用抗生素來殺死前者，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實現(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）就會指令細胞不斷復制，從而產(chǎn)生出更多的細胞。

相比合成基因這個步驟，讓新基因組取代宿主細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胞，還要讓細胞自己的基因組消失。山羊支原體屬于“原核細胞”，而酵母則屬于另一種類“真核細胞”。天然情況下，原核細胞有一種自我保護機制，它們給自己的DNA穿上一件衣服。外來的敵人，比如病毒的DNA沒有這件外衣，因此一旦進入原核細胞很快就會被發(fā)現(xiàn)，然后被細胞消滅。問題在于，科學家通過酵母組裝的新基因組沒有穿上原核細胞能夠識別的外衣，一旦進入寄主細胞內(nèi)，就會被降解消滅。所以，科學家在將新合成的DNA分離出來以后，給它們?nèi)斯ご┥弦路?，并用遺傳學的方法去除宿主細胞對DNA的識別保護機制，它的原基因組就會被新基因組設(shè)法分解消滅掉。

退回10年，以上每一步工作都是異常艱辛。但是進入“后基因組時代”，被譽為“解析生命密碼”的DNA測序變得成本越來越低、速度越來越快。當年耗時數(shù)年、耗費數(shù)百萬美元的工作，如今也許在幾天內(nèi)、花費幾千美元就可以解決。另外，基因數(shù)據(jù)庫內(nèi)容不斷擴充，DNA合成技術(shù)日臻成熟，染色體移植技術(shù)開始出現(xiàn)。因此，“辛西婭”的誕生，在業(yè)內(nèi)人士看來并不突然。從理論上講，如果這項研究可以繼續(xù)深入下去，就有可能創(chuàng)造出更加復雜的生命體，例如植物或者動物。

作為一名足夠瘋狂的科學家，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這本天書只由A、T、C、G4個字母組成。要用這4個字母表達復雜的信息，就需要一定的加密方式。文特爾用的是最簡單的加密方式——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，再從RNA翻譯成蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成，而每一個氨基酸由信使RNA上的3個堿基唯一確定，那3個堿基即為密碼子。在全部4條“水印”中，第一條據(jù)稱是對編碼系統(tǒng)的解釋說明；第2條“水印”是一條可讓破解出的人訪問的網(wǎng)址；接下來的“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”有二個目的：其一，作為證明，告訴他人這基因組確實是人工合成的；其二，防止盜版，以后再出現(xiàn)的新合成生物拿來測序看看有沒有這段“水印”，就知道自己的知識產(chǎn)權(quán)是否受到了侵犯。（待續(xù)）