制造前所未有的生命

岑夫子

地球上的生命可謂一個(gè)奇跡。

可是，什么是制造這個(gè)奇跡必不可少的呢？隨著人們對(duì)生命一步步地深入認(rèn)識(shí)，原先認(rèn)為必不可少的東西（比如說(shuō)蛋白質(zhì)）都被一一拋棄了，最后只剩下一樣?xùn)|西——DNA。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，所有的細(xì)胞生命都離不開(kāi)DNA。

但現(xiàn)在他們又發(fā)現(xiàn)，連DNA也不是生命所必需的。

天然的DNA有哪些特征？

細(xì)胞生命的最重要特征之一是遺傳，遺傳是通過(guò)DNA上的基因復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些基因不僅告訴我們的身體該怎么長(zhǎng)，還把父母親的特征傳給我們。DNA被稱(chēng)為“生命密碼”就是這個(gè)道理。每個(gè)人身上都有這樣一套“密碼”。

DNA的構(gòu)造是1953年由沃森和克里克破譯的。他們發(fā)現(xiàn)，它由兩條以雙螺旋的形式互相纏繞的脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈組成，中間通過(guò)一對(duì)對(duì)堿基相連。如果把DNA看成一架雙螺旋狀的梯子，兩條長(zhǎng)鏈就相當(dāng)于兩邊的扶欄，而堿基對(duì)相當(dāng)于中間踏腳的橫木。每條“橫木”都由兩個(gè)堿基組成，每邊各出一個(gè)，堿基之間則通過(guò)氫鍵（一種分子間作用力）相連。

堿基有4種類(lèi)型，它們只能以特定的方式配對(duì)：腺嘌呤（A）配胸腺嘧啶（T），鳥(niǎo)嘌呤（G）配胞嘧啶（C）。堿基的序列就編碼著我們基因中的信息。

這些堿基的大小還不一樣，嘌呤要比嘧啶大，所以每對(duì)堿基事實(shí)上是以大對(duì)小，或小對(duì)大的方式配對(duì)的。

這一切構(gòu)成了我們對(duì)DNA的基本認(rèn)識(shí)。自然界中存在的DNA都符合這些特征。

天然DNA的特征被一一打破

但是，近年來(lái)越來(lái)越多的研究表明，這些特征并不是DNA的遺傳功能所必需的，改變其中的一些特征，DNA照樣能工作。如果我們狹義地只把天然的DNA認(rèn)作DNA，那么修改后的DNA就不能算是真正的DNA了，我們完全可以給它取個(gè)另外的名字。

對(duì)DNA的第一個(gè)重要修改是擴(kuò)大了堿基的數(shù)量。2014年，一位美國(guó)生物學(xué)家制造了具有6種堿基的DNA：原始的4種堿基加上2種人工堿基。

后來(lái)，英國(guó)劍橋大學(xué)的一位分子生物學(xué)家又進(jìn)行了另一項(xiàng)嘗試。他保持堿基不變，但把DNA長(zhǎng)鏈上原先的脫氧核糖替換成其他分子，制造出“XNA”（DNA中的“D”代表的就是脫氧核糖）。他發(fā)現(xiàn)，非天然的XNA也能行使遺傳物質(zhì)復(fù)制的功能。

最近，美國(guó)生物學(xué)家斯蒂芬·本納和他的同事又對(duì)DNA花樣翻新。他們用4個(gè)分子團(tuán)替代標(biāo)準(zhǔn)堿基，制造出一種人工DNA，因這些分子團(tuán)比堿基小，所以這個(gè)人工DNA比天然DNA要瘦;此后，他們?nèi)绶ㄅ谥?，用?個(gè)大分子團(tuán)，制造出另一種胖DNA。

不管瘦還是胖，它們都發(fā)揮了DNA的關(guān)鍵功能：如果兩個(gè)堿基配對(duì)不正確，錯(cuò)放的一個(gè)就會(huì)被迅速清除，并被正確的堿基取代。天然DNA就是這樣確保我們的基因不會(huì)被弄亂的，而修正版的DNA也能做到這一點(diǎn)。

更值得一提的是，這樣的人工DNA還打破了一項(xiàng)規(guī)則。我們前面提到，在天然DNA上，堿基是以“大對(duì)小”或“小對(duì)大”的方式配對(duì)的。但在瘦DNA上，配對(duì)方式是“小對(duì)小”;在胖DNA上，是“大對(duì)大”;而兩者都一樣能工作。

目前的人工DNA主要在非細(xì)胞生命環(huán)境中（比如病毒）工作，有個(gè)別是在細(xì)菌中工作。前面提到的有6種堿基的人工DNA，科學(xué)家將其植入大腸桿菌后，制造出152種自然界并不存在的氨基酸。做這種實(shí)驗(yàn)，先要把細(xì)菌的天然DNA用人工DNA替換掉，但既然DNA都改變了，細(xì)菌當(dāng)然嚴(yán)格來(lái)說(shuō)都不是原先的天然細(xì)菌，只能算人工細(xì)菌了。但這些人工細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)室只要給予必要的資源，都能自我復(fù)制和繁衍。

還是大自然更勝一籌

既然這么多人工DNA也能工作，這就引出一個(gè)問(wèn)題：DNA是生命進(jìn)化過(guò)程中大自然鬼斧神工的杰作，還是只是眾多設(shè)計(jì)方案中再普通不過(guò)的一種呢？

最初，科學(xué)家對(duì)天然DNA很不以為然，認(rèn)為它的設(shè)計(jì)很多地方顯得十分“笨拙”。以那兩條脫氧核苷酸長(zhǎng)鏈為例，它們富含負(fù)電荷，這是多么愚蠢的一項(xiàng)設(shè)計(jì)。我們知道負(fù)電荷之間會(huì)互相排斥，所以?xún)蓷lDNA鏈很難聚集在一起形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，于是才有了堿基配對(duì)這種方式，幫助DNA鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。

再有，配對(duì)堿基之間是通過(guò)氫鍵結(jié)合在一起的，但是氫鍵的結(jié)合力是非常弱的，很容易被水分子破壞，可細(xì)胞里含量最豐富的恰恰就是水。如果換作你，你會(huì)放心用這么脆弱的一種方式將重要的遺傳信息遺傳下去嗎？

但當(dāng)科學(xué)家們自己去設(shè)計(jì)人造DNA的時(shí)候，通過(guò)一次次失敗，他們才參悟到，天然DNA的這些“缺陷”恰恰是它的獨(dú)到之處。還是以帶負(fù)電荷的兩條長(zhǎng)鏈為例，當(dāng)科學(xué)家用電中性的分子替代之后，他們發(fā)現(xiàn)這樣的長(zhǎng)鏈根本伸展不開(kāi)，稍長(zhǎng)一點(diǎn)就擰在一起。所以，大自然在DNA鏈中設(shè)置這些負(fù)電荷，讓兩條長(zhǎng)鏈相斥，可能就是為了讓DNA長(zhǎng)鏈保持一種伸展的狀態(tài)。

之后的研究又發(fā)現(xiàn)，連接兩個(gè)堿基的氫鍵雖然很弱，容易被水分子破壞，但也因此比較容易拆下來(lái)替換。這提高了DNA自身的修復(fù)能力。

此外，盡管科學(xué)家已經(jīng)研制出這么多能工作的人工DNA，但它們?cè)诿看螐?fù)制中，保真率（即正確復(fù)制的概率）還是不如天然DNA。人類(lèi)目前能夠達(dá)到的最好成績(jī)，卻是大自然的最差表現(xiàn)。尤其是一些人工堿基，在復(fù)制中很容易被天然堿基替換掉?？磥?lái)，細(xì)胞生命雖然也被迫接受了人工的東西，但似乎還得不到它們的真正認(rèn)可。

現(xiàn)在，科學(xué)家也已經(jīng)意識(shí)到，不能把這些人工的東西塞進(jìn)細(xì)胞就算完事了，如何讓細(xì)胞接納這些人工堿基才是今后工作的重頭戲。

DNA并不是生命所必需的

不過(guò)，我們也要看到，雖然人工DNA目前還存在種種令人不滿意之處，但通過(guò)不斷改進(jìn)，也許有一天會(huì)工作得跟天然DNA一樣出色。如果真做到了這一點(diǎn)，也就證明了一點(diǎn)：DNA（特指天然的DNA）并不是生命所必需的。

科學(xué)家對(duì)此似乎很有信心。比如，為什么天然DNA上只有4種堿基？為什么不是6種或10種？他們說(shuō)：我們的生命祖先可能由于條件的限制（比如化學(xué)原料缺乏等），只簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)出了4種堿基。一旦生命體擁有了足夠使用的堿基，它們就不再需要新的堿基了。我們只能承認(rèn)這是“歷史的選擇”，但絕不是唯一可能的選擇。大自然以它自己的方式設(shè)計(jì)了生命，但是肯定還有其他的途徑也能夠達(dá)到同樣的目的。

這個(gè)觀點(diǎn)對(duì)于尋找外星生命是很有啟發(fā)意義的。我們現(xiàn)在在外星球?qū)ふ业亩际俏⑸镏?lèi)的原始生命，這些東西肉眼不可見(jiàn)，只能通過(guò)儀器來(lái)分析。但我們的儀器設(shè)計(jì)起來(lái)是用來(lái)發(fā)現(xiàn)類(lèi)似地球上的天然DNA的。萬(wàn)一外星生命的DNA跟我們不一樣，我們可能就錯(cuò)過(guò)了。

可是，我們憑什么認(rèn)為它們的DNA跟我們的一樣呢？考慮到我們的DNA是地球歷史環(huán)境的產(chǎn)物，那外星生命會(huì)使用和我們一樣的堿基嗎？難道類(lèi)型也只限于4種，而不是2種或6種？我們實(shí)在不敢打這樣的包票。在這情況下，我們尋找外星生命就不應(yīng)該限于尋找天然DNA，還應(yīng)該再找找其他形式的遺傳分子。

另外，人工DNA的出現(xiàn)，意味我們又多了一種制造自然界不存在的生命的辦法。

在此我們不妨回憶一下：從零開(kāi)始創(chuàng)造生命，最早是由美國(guó)著名遺傳學(xué)家克雷格·文特爾于2010年取得突破的。他和他的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室參照一種細(xì)菌的天然DNA，利用化學(xué)物質(zhì)，像玩積木一樣一個(gè)堿基一個(gè)堿基地拼湊出整條相同的DNA。然后把這條人工DNA植入被挖掉細(xì)胞核的單細(xì)胞生物里，讓它復(fù)制、繁衍。這是第一個(gè)人造生命。但這個(gè)人造DNA，除了是人造的，與天然DNA并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。

但現(xiàn)在，堿基可以人為增加，甚至堿基和DNA長(zhǎng)鏈都可以用別的材料替代。這樣的人造生命可以說(shuō)改造得更為徹底。甚至可以說(shuō)，我們制造出了地球上前所未有的生命！