讓生命機器轉(zhuǎn)起來

　　大腸桿菌，又名腸埃希氏菌，屬于變形菌門，于1885年被發(fā)現(xiàn)，是一種腸道內(nèi)的常見細(xì)菌，在大部分時間內(nèi)和人體互惠互利。也有少部分特殊類型的大腸桿菌具有相當(dāng)?shù)亩拘?，可能造成?yán)重的疫情。前一段時間鬧得沸沸揚揚的德國蔬菜問題就是這少部分壞分子所為。當(dāng)然，大腸桿菌的主流還是好的。更值得期待的是，在不久的將來，大腸桿菌，這個普通得不能再普通的細(xì)菌，有可能大踏步走進(jìn)人們生活的方方面面。
　　
　　改造從了解開始
　　
　　生命是什么？這是生物學(xué)家甚至是所有科學(xué)家都感興趣并試圖回答的一個問題。從某種意義上來講，每個生命體都是一個有序運轉(zhuǎn)的機器，時刻保持著對外界環(huán)境變化的響應(yīng)，通過與外界環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換，維持自身的有序運轉(zhuǎn)。
　　隨著生命科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們越來越多地發(fā)現(xiàn)，對于生物的理解不能僅僅局限于一個個孤立的基因、孤立的蛋白上面，需要更多了解在不同的生命現(xiàn)象中，各個基因、蛋白之間是如何作用的，各種不同的通路之間如何相互影響。
　　對于生物系統(tǒng)的研究來說，有兩種研究方式。第一種方式被稱為系統(tǒng)生物學(xué)，即通過觀察細(xì)胞中各種基因在不同環(huán)境下、不同時間內(nèi)表達(dá)量的變化，以及各種生物組件之間的相互作用，了解和推測細(xì)胞完成生命活動的機制。第二種方式被稱為合成生物學(xué)，通過將一系列的生物組件整合到一個細(xì)胞中，實現(xiàn)特定的功能或者行為。誠然，第一種方式的研究結(jié)果更接近于生物本身的真實情況；但是第二種方式更加激動人心，我們在嘗試的是改造生命，甚至創(chuàng)造生命。
　　
　　上帝不好當(dāng)
　　
　　在改造生命的過程中，我們面臨的最大問題是人類至今對生物本身的結(jié)構(gòu)和功能尚不完全清楚，也就是說不知道引入的生物組件會對細(xì)胞產(chǎn)生怎樣的影響。所以現(xiàn)在人們大部分的工作還是在對了解最清楚、結(jié)構(gòu)最簡單的大腸桿菌進(jìn)行改造，這樣可以最大程度地預(yù)期引入的生物組件對細(xì)胞的影響。但人類在技術(shù)實現(xiàn)上還存在一個很大的問題，就是限制性內(nèi)切酶位點的設(shè)計。
　　我們知道基因工程的一般過程有如下幾個步驟：第一是將目標(biāo)基因片段擴(kuò)增出來，并引入限制性內(nèi)切酶的酶切位點；第二是將質(zhì)粒用同樣的限制性內(nèi)切酶切開；第三是通過黏性末端互補將目標(biāo)基因接入質(zhì)粒中，構(gòu)建成新的質(zhì)粒；最后將質(zhì)粒轉(zhuǎn)染到菌體里，實現(xiàn)對菌體的基因工程改造。
　　通常情況下，質(zhì)粒上的限制性內(nèi)切酶的酶切位點都是經(jīng)過人工設(shè)計改造的。設(shè)計主要從兩個方面考慮：第一是目標(biāo)基因片段本身不含有這種酶切位點；第二是識別置于目標(biāo)基因序列兩端酶切位點的限制性內(nèi)切酶可以在類似的條件下工作。
　　表面上看這個流程沒有什么問題，但當(dāng)我們試圖把第二個基因片段引入同一個質(zhì)粒中時，限制性內(nèi)切酶酶切位點的設(shè)計除了考慮上面兩點之外，還要考慮不能影響第一個基因片段。同樣，引入第三個片段的時候要考慮不能影響第一、二兩個片段。這樣每次引入下一個片段時都要考慮其對以前所引入片段的影響，設(shè)計難度是以幾何級數(shù)增加的。
　　
　　大腸桿菌帶來了什么
　　
　　為了解決上述難題，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們提出了一種新的方法，即所謂的標(biāo)準(zhǔn)化方法。它的基本原理是利用一組同尾酶的特性，實現(xiàn)限制性內(nèi)切酶的重復(fù)使用。也就是說標(biāo)準(zhǔn)化方法的準(zhǔn)備工作是通過基因突變將各種基因片段中存在的四個限制性內(nèi)切酶的位點完全突變掉。這是一個浩大的工程，但同時可以一勞永逸地解決限制性內(nèi)切酶的技術(shù)問題。
　　為了推廣這一想法，麻省理工學(xué)院從2005年開始舉辦以合成生物學(xué)為核心內(nèi)容的國際基因遺傳工程機器競賽（簡稱為IGEM）。它吸引了包括劍橋大學(xué)、哈佛大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等全球名牌大學(xué)參賽。每個參賽隊伍，會收到一份標(biāo)準(zhǔn)化好的基因片段，它又被稱為生物磚塊（biobrick）。參賽隊伍的目標(biāo)是通過現(xiàn)有的磚塊以及他們自己開發(fā)的磚塊，設(shè)計并實現(xiàn)一系列的生物機器。這些機器可以模擬各種生命行為，也可以實現(xiàn)各種有現(xiàn)實意義的功能，讓生物研究更加貼近于生活。由于目前我們對大腸桿菌了解得最清楚，而且它又是最簡單的生物，所以絕大部分改造都是在大腸桿菌上實現(xiàn)的。于是，我們就看到了各種不同功能的大腸桿菌。
　　2004年，麻省理工學(xué)院組織美國5校參加了合成生物學(xué)夏令營。其中，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校報告了他們做的生物底片，此工作也發(fā)表在了2005年的《自然》雜志上。我們知道照相機底片的原理，就是將在光下可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)涂在底片上，然后在光照的刺激下，通過底片不同區(qū)域化學(xué)反應(yīng)程度的不同，將景物記錄下來。同樣的，他們改造了一種對光有反應(yīng)的大腸桿菌。通過將可以被光激活的信號蛋白和基因調(diào)控蛋白組合起來，實現(xiàn)了一個在光刺激下可以調(diào)節(jié)基因表達(dá)的蛋白。如果將這一基因與報告基因（如綠色熒光蛋白等可以直接被人觀察到的蛋白）偶聯(lián)起來，就可以實現(xiàn)生物底片。
　　換句話說，當(dāng)有“百科知識”字樣的光照在一塊白色的涂滿該菌種的平板上，我們就能看到綠色的百科知識字樣在平板上顯示出來。更神奇的是，在光照被移走之后，出現(xiàn)的文字依然會留在平板上。這樣的神奇也成為很多合成生物學(xué)研究者原初的動力。
　　下面一個例子也許更貼近生活。
　　2009年，英國劍橋大學(xué)代表隊將大腸桿菌帶進(jìn)了涂料行業(yè)，他們通過對一系列各種顏色蛋白的表達(dá)，做成了赤橙黃綠青藍(lán)紫七色的涂料。雖然其實際應(yīng)用情況尚不得而知，至少這種涂料極具環(huán)保價值。
　　更具環(huán)保價值的是2006年愛丁堡大學(xué)關(guān)于砷污染的工作。水源中的砷污染對人類健康影響很大，一般的化學(xué)檢測方法存在的最大問題是檢測的靈敏度不夠。愛丁堡大學(xué)通過將一個可以被砷原子激活的調(diào)控蛋白與合成尿素的酶偶聯(lián)起來，實現(xiàn)了非常靈敏的砷原子檢驗。其工作原理是，當(dāng)水中的砷原子含量過多時，砷原子會被細(xì)菌吸收，激活調(diào)控蛋白，從而導(dǎo)致下游尿素合成酶被表達(dá)，大量尿素被合成出來，水溶液的PH值由此升高，進(jìn)而使得水中的PH指示計變色。這就簡單地實現(xiàn)了水中砷原子含量的檢測和報警。
　　不過，僅僅對水中砷含量超標(biāo)進(jìn)行報警是不夠的，我們最需要的是把水體中的有害物質(zhì)—砷去除掉。2009年，荷蘭格羅寧根大學(xué)代表隊在愛丁堡大學(xué)的研究基礎(chǔ)上，通過加入一個可以促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)氣泡生成的特殊蛋白，實現(xiàn)了這一點。
　　我們知道，魚通過魚鰾來實現(xiàn)在水里的沉浮。這種蛋白也能起到類似作用。該蛋白的大量表達(dá)，可以使細(xì)菌內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡，從而使細(xì)菌密度下降，漂浮在水面上。當(dāng)細(xì)菌吸收了大量砷原子時，這種“氣泡”蛋白就會大量表達(dá)，導(dǎo)致水中細(xì)菌密度大幅下降，砷原子由此被細(xì)菌帶到了水面上。此時，人們只要除掉水的表層，就可以實現(xiàn)水質(zhì)的凈化。
　　除了上面提到的這些以外，大賽中還有很多其他有意思的工作，包括大腸桿菌香水、大腸桿菌啤酒、大腸桿菌血液等等。
　　
　　生物化時代的來臨
　　
　　合成生物學(xué)作為生物學(xué)的一個新興領(lǐng)域正在以突飛猛進(jìn)的速度發(fā)展。2010年5月21日，美國科學(xué)家克雷格?文特爾（Craig Venter）通過將完整的基因組植入到細(xì)胞中，首次實現(xiàn)了人工生命。這個工作雖然和真正意義上的人工生命，即通過各種材料組合成的生命，還有一段距離，但它卻使人類在探索生命的途中又邁近了一步。同時，在更基礎(chǔ)的水平上，各種人工蛋白也在不斷地被創(chuàng)造出來，2004年，美國科學(xué)院院士大衛(wèi)?貝克（David Baker）研究組成功地實現(xiàn)了酶的人工設(shè)計。隨著人們對生命體了解的一步步加深，也許在不遠(yuǎn)的將來，我們將告別機器走進(jìn)生物化的時代。
　　【責(zé)任編輯】趙 菲