合成生物學(xué)：挑戰(zhàn)生命的極限

楊冬

“生命的本質(zhì)是什么？”這是一個(gè)與人類文明相伴而生的古老問(wèn)題。近代的科學(xué)家們也十分熱衷探討、研究這一問(wèn)題。19世紀(jì)的活力論者，如著名法國(guó)科學(xué)家巴斯德，認(rèn)為生命中存在特殊的“活力”，這是不具備生命的分子“無(wú)論如何都無(wú)法具備的”。按活力論者的說(shuō)法，無(wú)生命的物體不具備“活力”，在任何條件下都不能產(chǎn)生生命。觀點(diǎn)與之相反的是還原論者，他們認(rèn)為生命是有組織的某種化學(xué)分子以及它們之間的化學(xué)反應(yīng)的體現(xiàn)，理解這些分子的變化規(guī)律，我們就可以理解生命。根據(jù)進(jìn)化論的觀點(diǎn)，在幾十億年前的地球上，生命起源于無(wú)生命的有機(jī)分子，顯然，這與活力論的觀點(diǎn)相矛盾。現(xiàn)代科學(xué)對(duì)生物的研究也并沒有發(fā)現(xiàn)生命體中存在任何特殊的“活力”。然而，活力論者始終可以提出一個(gè)挑戰(zhàn)：“你如果認(rèn)為生命可以完全由無(wú)生命的分子構(gòu)建起來(lái)，那么請(qǐng)你用無(wú)生命的分子創(chuàng)造出一個(gè)人工生命！”

直到今天，還沒有人成功完成這個(gè)挑戰(zhàn)。所有的生命都來(lái)自另一個(gè)或多個(gè)生命，動(dòng)物來(lái)自于其父母的生殖細(xì)胞結(jié)合生成的受精卵，單細(xì)胞生物來(lái)自于上一代細(xì)胞的分裂，病毒也是由上一代病毒在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制而產(chǎn)生的。只要科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里無(wú)法重現(xiàn)幾十億年前生命起源的那一幕，把無(wú)生命物質(zhì)轉(zhuǎn)變成有生命的個(gè)體，那么活力論者始終可以說(shuō)，“活力”還是隱藏在生命體的某一個(gè)角落里，只是我們目前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平不足，難以發(fā)現(xiàn)而已。

合成生物學(xué)最初就是為了應(yīng)對(duì)活力論者的挑戰(zhàn)而誕生的。顯而易見，如果生命可以“合成”，活力論必然不攻自破。然而，在實(shí)驗(yàn)室里合成一個(gè)生命是非常困難的。

為應(yīng)對(duì)這個(gè)高難度的挑戰(zhàn)，合成生物學(xué)最初的研究是從細(xì)胞內(nèi)部開始的。科學(xué)家的主要研究工作是在細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建一些簡(jiǎn)單的通路，使細(xì)胞能夠完成一些以前不具備的功能。如果把細(xì)胞看作一個(gè)工廠，此時(shí)，科學(xué)家們雖然無(wú)法從頭開始建造一個(gè)工廠，但是至少可以在已有的工廠里安裝幾臺(tái)新的機(jī)器，或者建設(shè)一條新的生產(chǎn)線。

當(dāng)然，引入幾臺(tái)新機(jī)器也是非常困難的。20世紀(jì)70年代，生物學(xué)家在技術(shù)上取得了初步突破。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家們研發(fā)了一種新技術(shù)，可以把一個(gè)外來(lái)的基因移入一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞中，使之隨著細(xì)菌細(xì)胞的分裂而不斷擴(kuò)增，該技術(shù)后來(lái)被稱為“克隆”。與之伴隨的生物技術(shù)還包括測(cè)定DNA序列以及通過(guò)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）或者DNA合成技術(shù)獲得符合研究需求的基因序列。如果把一個(gè)基因視作一臺(tái)機(jī)器，那么在體外通過(guò)PCR或者DNA合成技術(shù)獲得這個(gè)基因相當(dāng)于制造這臺(tái)機(jī)器，而克隆相當(dāng)于在工廠車間里完成對(duì)機(jī)器的安裝。

在工廠中，將一臺(tái)新的機(jī)器安裝好只是第一步，它能否順利融入生產(chǎn)線還需后續(xù)觀察和調(diào)整。同樣，雖然科學(xué)家能成功克隆外來(lái)基因，但也并不能保證外來(lái)基因在細(xì)胞中可以正常表達(dá)。所謂表達(dá)，是指細(xì)胞根據(jù)這個(gè)基因的DNA序列合成RNA，并最終合成相應(yīng)的、有功能的蛋白質(zhì)。與基因表達(dá)相關(guān)的技術(shù)在20世紀(jì)70年代后期取得了重要突破。例如，科學(xué)家們把人胰島素細(xì)胞基因注入大腸桿菌中，成功地在大腸桿菌中表達(dá)人胰島素細(xì)胞基因；隨后，對(duì)這種大腸桿菌進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)，達(dá)到通過(guò)大腸桿菌生產(chǎn)胰島素的目的。這種細(xì)菌合成技術(shù)大大降低了胰島素的價(jià)格，使更多的糖尿病患者可以及時(shí)得到治療。

不過(guò)，在細(xì)胞中表達(dá)單個(gè)外來(lái)基因，還不屬于合成生物學(xué)的范疇。要將合成生物學(xué)建設(shè)為一門學(xué)科，科學(xué)家們需要付出更多努力。比如，在細(xì)胞內(nèi)引入一條全新的代謝通路，并對(duì)細(xì)胞已有的代謝過(guò)程進(jìn)行改造，從而使細(xì)胞可以合成以前無(wú)法合成的產(chǎn)物。

在該研究領(lǐng)域中，美國(guó)科學(xué)家杰·基斯林取得的成就格外引人矚目。通過(guò)基因改造，基斯林讓酵母（一種真核生物受體細(xì)胞）具備了生產(chǎn)青蒿酸的能力。通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，青蒿酸便可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹委煰懠驳乃幬铩噍锼??；沽謱?duì)酵母的基因組進(jìn)行了多處改造，他引進(jìn)了幾個(gè)外來(lái)基因，為酵母這個(gè)“工廠”建設(shè)了一條可以合成青蒿酸的“生產(chǎn)線”；同時(shí)，他阻斷了酵母利用青蒿酸的前體（法尼基焦磷酸）合成其他產(chǎn)物的通路，這等于“拆除”了“浪費(fèi)”青蒿酸原料的其他“生產(chǎn)線”。通過(guò)引進(jìn)和阻斷雙管齊下，基斯林最終獲得了成功。由于這項(xiàng)技術(shù)可以繞開大面積種植黃花蒿（青蒿素的來(lái)源）和從中提取青蒿素的步驟，因而可以大大降低青蒿素的生產(chǎn)成本。

其實(shí)，基斯林的工作僅處于合成生物學(xué)的初級(jí)階段。因?yàn)樗墓ぷ麟m然有極高的應(yīng)用價(jià)值，但是本質(zhì)上只是把某種細(xì)胞可以完成的工作（黃花蒿細(xì)胞中合成青蒿素的通路）移植到另一個(gè)原本不具備這種能力的細(xì)胞（酵母細(xì)胞）里。

我們能否在一個(gè)細(xì)胞里構(gòu)建出一個(gè)從來(lái)沒有出現(xiàn)過(guò)的全新的功能呢？隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，這個(gè)目標(biāo)逐漸得以實(shí)現(xiàn)。例如，讓改造后的細(xì)胞實(shí)現(xiàn)開關(guān)、振蕩器、邏輯門、加法計(jì)算等各種類似電子元件的功能。

如何在細(xì)胞中設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的“開關(guān)”？例如，有兩個(gè)基因—A和B，A基因的產(chǎn)物（產(chǎn)物A）可以抑制B基因的表達(dá)，而B基因的產(chǎn)物（產(chǎn)物B）可以抑制A基因的表達(dá)。細(xì)胞只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，要么A基因表達(dá)（狀態(tài)I），要么B基因表達(dá)（狀態(tài)II）。這個(gè)設(shè)計(jì)是試圖構(gòu)建一個(gè)開關(guān)系統(tǒng)，可以讓細(xì)胞在這兩個(gè)狀態(tài)中轉(zhuǎn)換。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，需要產(chǎn)物A和產(chǎn)物B（均為蛋白質(zhì)）本身可以分別被小分子藥物a和藥物b關(guān)閉。如果細(xì)胞一開始處于狀態(tài)I（A基因表達(dá)，B基因不表達(dá)），此時(shí)加入藥物a，它會(huì)與產(chǎn)物A結(jié)合，使之失去活性，那么B基因就不會(huì)再被產(chǎn)物A關(guān)閉，它就可以表達(dá)，并合成其產(chǎn)物B。最終，產(chǎn)物B會(huì)關(guān)閉A基因的表達(dá)。所以，加入一個(gè)小分子藥物a，就可以讓細(xì)胞從狀態(tài)I轉(zhuǎn)換為狀態(tài)II。反之，如果細(xì)胞一開始是狀態(tài)II（只有B基因表達(dá)），那么也可以通過(guò)加入藥物b將其轉(zhuǎn)換為狀態(tài)I。

所以，這個(gè)簡(jiǎn)單的通路就是一個(gè)開關(guān)，藥物a和藥物b就是控制狀態(tài)II和狀態(tài)I的按鈕。顯然，在該設(shè)計(jì)中，A基因和B基因及其產(chǎn)物實(shí)現(xiàn)了它們?cè)静痪邆涞墓δ?，具有非常高的?chuàng)新性。但是，除了看上去“有趣”外，這個(gè)開關(guān)有什么實(shí)際用途呢？其實(shí)，它可以作為一個(gè)控制元件使用，比如，讓產(chǎn)物A除了可以關(guān)閉B基因外，還可以關(guān)閉其他需要控制的基因，包含這個(gè)元件的細(xì)胞就可以通過(guò)添加藥物a或藥物b進(jìn)入不同狀態(tài)，從而表現(xiàn)出不同功能，如合成不同產(chǎn)物。

合成生物學(xué)的終極目標(biāo)是“創(chuàng)造生命”，目前，從無(wú)到有合成一個(gè)復(fù)雜的生命體尚未實(shí)現(xiàn)，但初步的研究工作已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

2010年，美國(guó)生物學(xué)家克雷格·文特爾創(chuàng)造了“Synthia”。從表面看，Synthia是一個(gè)普通的支原體細(xì)胞，秘密藏在細(xì)胞內(nèi)部—它的基因組是100%由人工合成的。文特爾把人工合成的基因組移入一個(gè)山羊支原體細(xì)胞，最終獲得一個(gè)只包含人工合成的基因組的細(xì)胞。Synthia能夠正常分裂繁殖，產(chǎn)生后代，其后代的基因完全從人工合成的基因組衍生而來(lái)。顯然，Synthia的出現(xiàn)是通向人工生命的重要突破。

不過(guò)，這一研究進(jìn)展還不能稱為“創(chuàng)造生命”。雖然文特爾可以合成一個(gè)細(xì)胞的全部遺傳物質(zhì)，但是這些遺傳物質(zhì)仍然需要在一個(gè)已有的細(xì)胞內(nèi)部才能發(fā)揮作用。也就是說(shuō)，如果不利用已有細(xì)胞的細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)，人工合成的基因組無(wú)法完成復(fù)制，也無(wú)法傳遞下去?；盍φ撜呷匀豢梢月暦Q細(xì)胞內(nèi)存在某種未知的“活力因子”。因此，真正的、完全的人工生命的誕生尚需時(shí)日。

在合成生物學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，一個(gè)重要的趨勢(shì)是引入工程學(xué)的概念，如模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)，還引入了諸如底盤、部件、裝置等術(shù)語(yǔ)。合成生物學(xué)家試圖制作出一些具有特定功能的標(biāo)準(zhǔn)化部件，就像在電子工程領(lǐng)域常見的各種即插即用的電子元件，如中央處理器（CPU）、內(nèi)存、顯卡。合成生物學(xué)家在開展不同項(xiàng)目時(shí)，可以使用已有的部件進(jìn)行多種組合，從而創(chuàng)造出不同的細(xì)胞或更復(fù)雜的生物體。

科學(xué)家試圖將一些“標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞”，如大腸桿菌、酵母，定義為底盤。就像在電路板上插入各種不同電子元件，合成生物學(xué)家期望在底盤中插入不同生物部件，從而組裝出功能各異的細(xì)胞。然而，在實(shí)際操作中，在底盤中插入生物部件的難度遠(yuǎn)大于在電路板上插入電子元件。原因在于細(xì)胞具有非常復(fù)雜的功能，從外部引入的生物部件很可能干擾細(xì)胞原本的功能，生物部件也會(huì)受到一些細(xì)胞功能的影響，所以并不能將細(xì)胞視作可容納各種元件的一個(gè)惰性的容器。

從20世紀(jì)90年代中期開始，合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究者開始致力于構(gòu)建一個(gè)包括各種生物部件的“倉(cāng)庫(kù)”，供該領(lǐng)域內(nèi)的科研人員使用。2003年，標(biāo)準(zhǔn)生物元件登記庫(kù)（Registry of Standard Biological Parts）開始運(yùn)行，它包含了大量可用的標(biāo)準(zhǔn)化部件。2003年，美國(guó)麻省理工學(xué)院創(chuàng)辦了國(guó)際遺傳工程機(jī)器大賽（iGEM）。在這個(gè)競(jìng)賽中，參賽者需要設(shè)計(jì)并且合成新的生物部件、裝置，并探索合成生物學(xué)的新應(yīng)用。iGEM不僅具有教育意義，普及了合成生物學(xué)理念，也為標(biāo)準(zhǔn)生物元件登記庫(kù)增加了可用的新部件。同時(shí)，有些出自于iGEM的項(xiàng)目非常有新意，進(jìn)一步優(yōu)化后可能具有實(shí)用價(jià)值。

對(duì)于將井水作為飲用水的人群而言，被砷污染的地下水會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的健康威脅，這個(gè)問(wèn)題在一些發(fā)展中國(guó)家（如孟加拉國(guó)）尤其嚴(yán)重。2006年，一支加入iGEM競(jìng)爭(zhēng)的參賽隊(duì)構(gòu)思了一個(gè)檢測(cè)飲用水中砷污染的系統(tǒng)。在這個(gè)項(xiàng)目中，隊(duì)員們利用兩個(gè)可以感知砷的蛋白ArsD和ArsR構(gòu)建了一個(gè)通路。通常，這兩個(gè)蛋白會(huì)關(guān)閉特定的基因的表達(dá)，而當(dāng)樣品中砷的濃度達(dá)到一定水平后，它們會(huì)失去與基因結(jié)合的能力，從而使被關(guān)閉的基因變?yōu)椤翱梢员磉_(dá)”，最終導(dǎo)致溶液的pH值下降。通過(guò)檢測(cè)pH值，實(shí)驗(yàn)人員就能確定樣品中是否含有濃度過(guò)高的砷。

這個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度很高，而且通過(guò)改進(jìn)，已經(jīng)可以用于實(shí)際檢測(cè)工作。然而，最終該方案沒有被采用，背后的原因與倫理上的爭(zhēng)議有關(guān)?？梢?，合成生物學(xué)項(xiàng)目雖然可能具有重大用途，但是在被實(shí)際運(yùn)用之前，它們首先得過(guò)“倫理關(guān)”。

有關(guān)倫理上的爭(zhēng)論，很大一部分源于人們對(duì)轉(zhuǎn)基因生物的擔(dān)憂。有些人提出反對(duì)，是基于其“反對(duì)任何對(duì)生命進(jìn)行改造”的價(jià)值觀，但大部分人更加實(shí)際，他們主要擔(dān)心這些轉(zhuǎn)基因生物可能給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)不良后果。

顯然，當(dāng)今人類的科技水平已經(jīng)高度發(fā)展，有些擔(dān)憂確無(wú)必要，比如，有人懷疑改造后的細(xì)菌可以無(wú)限生長(zhǎng)，最終毀滅地球生態(tài)系統(tǒng)。不過(guò)，也有一部分擔(dān)憂具有合理性，比如，在環(huán)境中引入一個(gè)轉(zhuǎn)基因物種很有可能帶來(lái)不可預(yù)料的生態(tài)后果，雖不至于毀滅整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，但該問(wèn)題確實(shí)不應(yīng)被忽視。因此，在合成生物學(xué)產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程中，防止改造后的物種泄漏到自然環(huán)境中始終值得高度關(guān)注，而且在很大程度上也決定了該項(xiàng)目的可行性。比如，在iGEM競(jìng)賽中，評(píng)委會(huì)很注重參賽者能否提出有效阻止環(huán)境泄漏的方案。如今，如何防止人工生物對(duì)環(huán)境造成不良影響，已成為合成生物學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。