人造DNA來(lái)襲

數(shù)十億年來(lái)，地球生命對(duì)“一切生物多樣性都由DNA中的4種堿基承載”一直沒(méi)有異議。

突然，有的科學(xué)家不干了。

“這實(shí)在太局限了。”美國(guó)斯克里普斯研究所化學(xué)家弗洛伊德·羅姆斯伯格（Floyd E. Romesberg）說(shuō)，設(shè)想一下，如果英語(yǔ)只有四個(gè)字母，“也許可以寫(xiě)幾個(gè)詞，用它講幾個(gè)粗糙的故事，但是如果多幾個(gè)字母，你就能多寫(xiě)很多東西。能夠儲(chǔ)存更多的信息，就能寫(xiě)更有意思的詞，更大的詞，更復(fù)雜的詞，更微妙的詞，更好的故事”。

史上第一次，“得瑟”的科學(xué)家終于成功了。他們擴(kuò)展了生命遺傳字母表，向細(xì)菌里加入了兩個(gè)新的人造“字母”——而且這段新DNA是可以復(fù)制的。2014年5月，美國(guó)科學(xué)家在《自然》雜志刊發(fā)文章宣布，這一研究已在改變生命的基本字母表方面邁出了一大步。

多兩個(gè)字母能講什么新故事？科學(xué)家們認(rèn)為，基于相關(guān)研究有望最終培養(yǎng)一些有機(jī)體，來(lái)制作僅含自然遺傳密碼的細(xì)胞所無(wú)法制作的疫苗、藥物和其他產(chǎn)品，并可能最終誕生出特殊的人造生物，合成天然生物辦不到的藥品或者工業(yè)產(chǎn)品。

當(dāng)然，這在變得真正可行之前，相關(guān)領(lǐng)域的研究還面臨不少爭(zhēng)議和質(zhì)疑，還有很多工作要做。

密碼表“擴(kuò)容”

盡管生命千差萬(wàn)別，但無(wú)論簡(jiǎn)單的細(xì)菌，還是復(fù)雜的人類(lèi)，所有物種都擁有相同的遺傳密碼。

這一密碼由DNA中的四種化學(xué)單位，也僅僅是由這四種化學(xué)單位組成。它們也被稱為核苷酸或堿基，分別是胞嘧啶（通常用字母C表示）、鳥(niǎo)嘌呤（G）、腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）。其中，A與T“情比金堅(jiān)”，C和G不可分割。地球上的生物如此豐富多彩，歸根結(jié)底都是由這兩對(duì)堿基承載。

在每一種已知生物體的正常DNA中，雙螺旋結(jié)構(gòu)的雙鏈與T、G、A、C四種堿基連接在一起，它們決定了細(xì)胞生成哪些蛋白質(zhì)，而這些蛋白質(zhì)又反過(guò)來(lái)決定了細(xì)胞乃至機(jī)體組織和器官的結(jié)構(gòu)、功能和調(diào)節(jié)，并完成其絕大部分工作。

但現(xiàn)在，美國(guó)科研人員卻在DNA字母表中增加了兩個(gè)新字母，人工合成了一對(duì)堿基對(duì)，并且把它塞到了活細(xì)胞中。

更令人激動(dòng)的是，這“入侵”的堿基對(duì)還存活了下來(lái)，參與了細(xì)胞的復(fù)制過(guò)程。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果給人無(wú)限遐想，或許未來(lái)，新的蛋白質(zhì)、新的生命體都將會(huì)出現(xiàn)。

加州大學(xué)圣迭戈分校斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的科學(xué)家5月在《自然》雜志發(fā)表論文說(shuō)，他們使用化學(xué)方法，生成了兩個(gè)新的核苷酸，稱為新堿基X和Y，創(chuàng)造了一種新的DNA形式，成功地制造了第一個(gè)“包含擴(kuò)大遺傳字母的半合成生物體”。

研究人員說(shuō)，這種新堿基真正的名字是d5SICS-dNaM，其結(jié)構(gòu)和已知堿基完全不同，并把它放進(jìn)了最常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)室細(xì)菌——大腸桿菌里。需要強(qiáng)調(diào)的是，這種半合成的外源生物體能夠繼續(xù)正常繁殖，并在繁殖中保存新的外源DNA?？蒲腥藛T把一對(duì)XY導(dǎo)入常見(jiàn)的大腸桿菌中后發(fā)現(xiàn)，盡管速度比平常稍慢一點(diǎn)，但細(xì)菌確實(shí)可以像復(fù)制天然的核苷酸一樣復(fù)制X和Y。當(dāng)大腸桿菌復(fù)制時(shí)，這些人造堿基也成功復(fù)制了，論文的數(shù)據(jù)表明，它們至少?gòu)?fù)制了24輪。

自2009年以來(lái)，他們已經(jīng)嘗試了三百多種人造堿基，但這是第一個(gè)能被細(xì)胞的復(fù)制機(jī)制識(shí)別的堿基對(duì)。斯科普里斯研究所找到了一個(gè)十分巧妙的辦法：植物中的葉綠體有一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能夠從周?chē)鷦e的組織提取堿基，相關(guān)基因已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，于是他們將來(lái)自藻類(lèi)的相關(guān)基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌，讓它們?cè)趶?fù)制時(shí)成功地?cái)z入并利用了這些新堿基。

“兩種DNA堿基對(duì)，即A-T和C-G，編碼出地球上多姿多彩的生命。而我們構(gòu)建出一種有機(jī)體穩(wěn)定了這兩對(duì)DNA堿基對(duì)，還有第三種新的堿基對(duì)。這表明有可能存在其他儲(chǔ)存信息方式，使我們進(jìn)一步擴(kuò)展DNA生物學(xué)，也包括新藥物和新型納米技術(shù)等?！绷_姆斯伯格說(shuō)。

事實(shí)上，關(guān)于生命是否能用其他化合物存儲(chǔ)遺傳信息的問(wèn)題，早在1960年代就有科學(xué)家在思考，但直到1980?1990年代，人類(lèi)才獲得實(shí)質(zhì)性突破。

隨著生物技術(shù)呈指數(shù)級(jí)快速進(jìn)步。近些年來(lái)，也有不少關(guān)于新堿基的報(bào)道。但它們要么是不能在體內(nèi)穩(wěn)定復(fù)制的人工堿基，要么是在生物體內(nèi)從“普通”堿基修飾而來(lái)，在嚴(yán)格意義上，都不是真正的“新堿基”。

所以說(shuō)，羅姆斯伯格團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是個(gè)非常大的突破。

斯克里普斯研究所的科學(xué)家早在2010年就曾開(kāi)發(fā)出一對(duì)非天然堿基對(duì)（d5SICSTP和dNaMT），這對(duì)堿基對(duì)可以在一個(gè)純凈的無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)DNA復(fù)制過(guò)程。但把這個(gè)結(jié)果推衍到一個(gè)細(xì)胞中并非輕而易舉。

例如，如何把這些非自然的堿基對(duì)引導(dǎo)入細(xì)胞就是一個(gè)挑戰(zhàn)。

新密碼的未來(lái)價(jià)值

就在斯科里普斯研究所刊發(fā)論文的同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)和工程公司歐特德斯科（Autodesk）花費(fèi)2周時(shí)間和大約1000美元，設(shè)計(jì)了一種合成噬菌體（即病毒），然后通過(guò)3D打印把結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)。該公司研究員安德魯·海斯?fàn)枺ˋndrew Hessel）說(shuō)，“我們正在考慮這樣一種可能性，即你可以使用生物代碼（即DNA）為生物編寫(xiě)軟件?！?/p>

斯科里普斯研究所如今已經(jīng)成立了一家公司，嘗試用這一新技術(shù)研發(fā)新的抗生素、疫苗和其他產(chǎn)品。

羅姆斯伯格說(shuō)，導(dǎo)入合成核苷酸的細(xì)菌逃逸到了環(huán)境中，或者進(jìn)入某種生物體內(nèi)，它們將無(wú)法獲得合成活動(dòng)所需的原料，要么死亡，要么恢復(fù)到只使用天然DNA的狀態(tài)。

因此，他們正考慮采用這一技術(shù)來(lái)培養(yǎng)一些病毒或細(xì)菌，讓它們成為活疫苗。因?yàn)檫@種活疫苗進(jìn)入血液后，將可能誘發(fā)免疫反應(yīng)，但卻不會(huì)復(fù)制。

另一個(gè)可能用途是讓細(xì)胞生成新型蛋白質(zhì)。新型蛋白質(zhì)將擁有更多應(yīng)用價(jià)值。如在制藥領(lǐng)域，可讓藥物更加有效地殺滅腫瘤，或者使有效成分在血液中停留的時(shí)間更長(zhǎng)。

更讓人激動(dòng)的是，科學(xué)家認(rèn)為，這項(xiàng)研究還在某種程度上支持了這樣一個(gè)假說(shuō)：宇宙的其他地方可能有生命存在，它們的遺傳方式與地球上的不同。

不過(guò)，雖然大腸桿菌能夠復(fù)制這對(duì)新堿基，它還不能“識(shí)別”。這兩個(gè)堿基無(wú)法表達(dá)?！拔覀冞€沒(méi)到那一步，我們現(xiàn)在關(guān)注的只是遺傳信息的儲(chǔ)存過(guò)程?！绷_姆斯伯格說(shuō)。

有爭(zhēng)議的科學(xué)

有些人擔(dān)心，新生物會(huì)不會(huì)失控并造成危害，對(duì)此，羅姆斯伯格認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)是安全的。

盡管如此，《自然》雜志刊發(fā)的這項(xiàng)研究成果，已經(jīng)再次引發(fā)人們對(duì)安全的擔(dān)憂，以及在科學(xué)領(lǐng)域加強(qiáng)監(jiān)管的呼聲：人類(lèi)是否又在扮演上帝了？

在基因組計(jì)劃時(shí)期，即使是編寫(xiě)最小的生命基因組，DNA合成技術(shù)也顯得過(guò)于粗糙和昂貴。而如今，“合成生物學(xué)”等研究已可以把上述工作從分子層面轉(zhuǎn)移到數(shù)字層面。

合成生物學(xué)（synthetic biology）即為特定目的創(chuàng)建生物系統(tǒng)?？蒲腥藛T可以像使用文字處理器編輯文本那樣剪切和粘貼DNA信息，將單個(gè)遺傳字母精確地調(diào)入調(diào)出。在點(diǎn)擊發(fā)送后，十幾家不同的DNA打印工廠就可以把這些字節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)樯?/p>

創(chuàng)建使用非天然核苷酸的新生物，一直是合成生物學(xué)的目標(biāo)。這樣的生物，可以為很多細(xì)胞工程（使用非天然氨基酸合成新蛋白）提供平臺(tái)。

盡管目前還處于萌芽狀態(tài)，然而合成生物學(xué)的研究領(lǐng)域正在風(fēng)起云涌。不過(guò)，這類(lèi)科學(xué)始終面臨質(zhì)疑。

此外，這一領(lǐng)域還面臨渴望專(zhuān)利和支持所有內(nèi)容免費(fèi)開(kāi)放這兩方之間的摩擦。

“合成生物學(xué)家發(fā)明了玩弄生命基本元素的新方法，而政府連監(jiān)督、評(píng)估、監(jiān)管該領(lǐng)域的基本對(duì)策都還沒(méi)有準(zhǔn)備好”，加拿大權(quán)益倡導(dǎo)組織ETC集團(tuán)（ETC Group）的吉姆·托馬斯對(duì)媒體說(shuō)。他認(rèn)為，假以時(shí)日，這種前所未有的“外來(lái)”生命形式可能會(huì)在倫理、法律和監(jiān)管方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

顯然，這將是人類(lèi)社會(huì)未來(lái)需要直面的新挑戰(zhàn)。