“如果我不能創(chuàng)造它，那我就不能理解它?！敝锢韺W(xué)家理查德·費(fèi)曼曾經(jīng)如此說道。在生命科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家們正試圖通過“創(chuàng)造”來“理解”，乃至“改造”生命。

近日，人工合成生命領(lǐng)域取得重大進(jìn)展：在美國、中國、英國等多國科研機(jī)構(gòu)參與的“人工合成酵母染色體項(xiàng)目”中，科學(xué)家們成功用化學(xué)方法合成了酵母的5條染色體，這項(xiàng)研究成果近期以封面文章的形式在國際知名期刊《科學(xué)》雜志上發(fā)表。

“這是生命科學(xué)史上一個(gè)重要的里程碑?！敝袊茖W(xué)院院士、華大基因理事長楊煥明說，“如果把生物的遺傳信息比喻為一本生命天書，那么人類從一開始學(xué)習(xí)‘讀’，到現(xiàn)在進(jìn)入了學(xué)習(xí)‘寫’，即‘謀篇布局’和‘遣詞造句’的階段?！?/p>

從“美國隊(duì)長”到合成生命

在科幻電影《美國隊(duì)長》中，主角史蒂夫·羅杰斯原本是一名身體瘦弱的新兵，在接受基因改造后變成了“超級士兵”，他的力量、速度、耐力等各項(xiàng)體能都遠(yuǎn)超出于常人，成功完成了一項(xiàng)又一項(xiàng)正義的使命。事實(shí)上，基因改造已不僅僅是編劇天馬行空的“腦洞”，科學(xué)家們正在實(shí)驗(yàn)室里把電影情節(jié)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

2010年，美國科學(xué)家克雷格·文特宣布成功合成了支原體染色體，這被稱為“世界上第一例由人類制造并可以自我復(fù)制的新物種”，標(biāo)志著人類正式推開了合成生物學(xué)的大門。

相比較支原體這種原核生物，真核生物的生命形態(tài)更加復(fù)雜，合成也更具難度。因此，挑戰(zhàn)真核生物的基因組合成，就成為全球科學(xué)家們瞄準(zhǔn)的另一座高峰，而酵母成為最先被選擇攻克的生物。

在這樣的背景下，“人工合成酵母基因組項(xiàng)目”由美國科學(xué)家杰夫·伯克在美國約翰霍普金斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開始做起，并用數(shù)年時(shí)間合成了酵母16條染色體的第一條。此次研究的參與者、深圳國家基因庫合成與編輯平臺負(fù)責(zé)人沈玥介紹了人工合成酵母染色體的具體過程。

她說，研究人員使用電腦程序設(shè)計(jì)和編寫了酵母的遺傳信息，然后通過化學(xué)合成的方式將這些遺傳信息合成出來，之后放入酵母中替代掉原來的DNA，并且保證酵母能繼續(xù)保持活性。這樣，酵母的所有生命活動都變成了由人工設(shè)計(jì)合成的DNA控制，而非天然的DNA，成為一種人造生命體?！罢麄€(gè)過程就像搭積木一樣”。

研究參與者、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員戴俊彪對這項(xiàng)研究成果做了一個(gè)生動形象的比喻。他說，生物的細(xì)胞就像一個(gè)二手房，人們之前掌握了基因組測序技術(shù)，這就好比我們可以知道房間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而人工合成的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著我們可以改造房間了。

“生命遺傳信息的改變是一個(gè)微妙的過程，如果改造不當(dāng)，動了不該動的地方，那它就不能存活?！贝骺”胝f，“此次實(shí)現(xiàn)的染色體人工合成，意味著我們可以在保證不讓房間塌掉的情況下，對房間進(jìn)行裝修改建?！?/p>

如果把近些年來大熱的“基因編輯”當(dāng)做對生命遺傳物質(zhì)的“小修小改”的話，那么合成生物學(xué)則相當(dāng)于“從頭再來”?；蚓庉嫺膭拥氖欠块g某個(gè)部位，但合成生命相當(dāng)于重新畫了設(shè)計(jì)圖紙，不僅可以做細(xì)微改造，也可以對整個(gè)風(fēng)格重新設(shè)計(jì)和重新建造了。

從通路合成到“釀造”青蒿素

此次人工合成酵母染色體的成功，是合成生物學(xué)領(lǐng)域的重大突破，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注。據(jù)華大基因研究院院長徐訊介紹，合成生物學(xué)是生命科學(xué)的前沿研究領(lǐng)域，研究方向主要包括“底盤細(xì)胞合成”和“通路合成”兩個(gè)重要分支。

科學(xué)家人工合成染色體，再將染色體植入到某一特定的細(xì)胞，使得該細(xì)胞具備人們需要的功能，這一過程被稱為底盤細(xì)胞合成。原核生物的合成，以及本次酵母染色體的合成，都屬于這個(gè)范疇。

沈玥表示，在底盤細(xì)胞合成之外，合成生物學(xué)的另一個(gè)重要分支是“通路合成”。通過合成生物技術(shù)，人類將可以合成具備特定功能的“生物元件”，把這些“元件”再組裝起來，可以構(gòu)造成具有更加復(fù)雜功能的“基因回路”。通路合成的一個(gè)重要運(yùn)用是，通過改造生物以實(shí)現(xiàn)諸多產(chǎn)品的綠色制造，即通過微生物合成產(chǎn)品以取代原有的化學(xué)提取生產(chǎn)模式，最經(jīng)典的案例是青蒿素的合成。

2006年，以伯克利加州大學(xué)的杰伊·科斯林領(lǐng)銜成功育成青蒿酸合成酵母工程菌為標(biāo)志，開啟了青蒿素合成生物學(xué)的新時(shí)代。2013年，美國和加拿大的科學(xué)家進(jìn)一步成功實(shí)現(xiàn)將酵母工程菌中青蒿素前體青蒿酸的發(fā)酵產(chǎn)量提升十幾倍，并利用單線態(tài)氧成功地將青蒿酸轉(zhuǎn)化成青蒿素。

“青蒿素還是青蒿素，但它的‘生產(chǎn)者’已經(jīng)不是天然的青蒿草了，而是人們利用酵母‘釀造’出了青蒿素?！毙煊嵳f，“這其中的關(guān)鍵就是科學(xué)家在酵母染色體中加入了特定的DNA片段?！?/p>

人工合成生命領(lǐng)域取得的重大突破，使得生物基因可以“個(gè)性化定制”，今后，科學(xué)家將可以根據(jù)具體的需要，有針對性地設(shè)計(jì)功能特異性的細(xì)胞，這樣的轉(zhuǎn)變?yōu)槿祟惿鐣鉀Q共同的難題提供了新的思路和方法，將對環(huán)境、能源、生物醫(yī)藥、先進(jìn)材料等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

“在環(huán)境領(lǐng)域，假設(shè)未來海里發(fā)生了石油泄漏，我們可以合成專門微生物去降解；在能源領(lǐng)域，我們可以設(shè)計(jì)植物細(xì)胞染色體，提高光合作用的效率，直接把光能轉(zhuǎn)換成電能；在人類健康方面，我們還可以設(shè)計(jì)一些細(xì)胞、病毒或噬菌體，精確地‘殺死’癌細(xì)胞。生命的人工合成為人類社會提供了更多更高效的可能性?！贝骺”胝f。

事實(shí)上，這樣的嘗試已經(jīng)開始了。徐訊說，養(yǎng)殖業(yè)的污水是農(nóng)業(yè)污染的重要來源，目前要達(dá)到國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，主要依靠投放化學(xué)試劑凈化，但這會造成二次污染。科學(xué)家們正在嘗試人工合成綠藻的部分基因，經(jīng)過改造的綠藻可以替代化學(xué)試劑的凈水功能，既環(huán)保又便宜。

此外，科學(xué)家們正在探索人工合成生命的各種應(yīng)用場景。據(jù)沈玥介紹，一些科學(xué)家正在改造細(xì)菌，讓細(xì)菌的運(yùn)動行使計(jì)算機(jī)的計(jì)算邏輯，提高計(jì)算效率；此外，部分科學(xué)家正在試圖改造微生物，讓它們感受環(huán)境變化，監(jiān)測砷、汞等有害物質(zhì)的濃度；同時(shí)，DNA存儲也正受到廣泛關(guān)注，其存儲效率預(yù)計(jì)是硅材料的幾萬倍……

從追趕者到“挑大梁”

正是因?yàn)楹铣缮飳W(xué)的巨大潛力，它成為近年來全球生命科學(xué)發(fā)展的熱點(diǎn)方向。目前國際上各發(fā)達(dá)國家都已經(jīng)在合成生物學(xué)上發(fā)力，尤其以美國為代表。美國哈佛大學(xué)、紐約大學(xué)等大學(xué)和機(jī)構(gòu)的合成生物學(xué)研究領(lǐng)跑世界，不少目前在國內(nèi)從事合成生物學(xué)研究的帶頭人就出自美國的知名實(shí)驗(yàn)室。

相比較而言，我國合成生物學(xué)的起步比歐美晚了10年左右。2008年，討論前沿科學(xué)問題的香山科學(xué)會議第一次組織國內(nèi)專家討論了合成生物學(xué)?！笆濉睍r(shí)期，我國在“973”“863”項(xiàng)目上給予該領(lǐng)域研究支持。

總體而言，跟世界先進(jìn)水平相比，我國在合成生物學(xué)領(lǐng)域處于追趕階段，但在一些點(diǎn)上已經(jīng)取得突破，實(shí)現(xiàn)“并跑”。特別是在此次“人工合成酵母染色體”項(xiàng)目中，中國科學(xué)家們發(fā)揮了“挑大梁”的角色。

戴俊彪說，項(xiàng)目發(fā)起之初，他就在伯克的團(tuán)隊(duì)里工作。團(tuán)隊(duì)雖然成功合成了第一條染色體，但前后加起來花了數(shù)年時(shí)間，如果按照原來方式做下去，合成16條染色體需要數(shù)十年時(shí)間。2012年，中國團(tuán)隊(duì)的加入，使得這個(gè)項(xiàng)目大大加速。

據(jù)沈玥介紹，中國科學(xué)家在該項(xiàng)目中承擔(dān)了大量的工作。此次發(fā)表完成的5條染色體中，由華大基因和清華大學(xué)各負(fù)責(zé)1條染色體的重新設(shè)計(jì)和合成，天津大學(xué)負(fù)責(zé)2條。中國科學(xué)家讓團(tuán)隊(duì)力量大大充實(shí)的同時(shí)，也對原有單條染色體合成的工作思路帶來重大革新。

“這就好像修高架橋，如果說之前對染色體的合成是從一頭開始，每一步都要在前面的基礎(chǔ)上完成，那么我們現(xiàn)在是先把整個(gè)架子搭起來，每個(gè)部分的工作可以同時(shí)進(jìn)行，這大大提升了效率。”她說。

最后，中國科學(xué)家共完成了4條染色體的合成工作，占目前已經(jīng)合成的6條染色體的三分之二。相比“人類基因組計(jì)劃”中中國科學(xué)家所承擔(dān)的1%，有了長足進(jìn)步。針對中國團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)，伯克評價(jià)道：“中國團(tuán)隊(duì)的加入對這個(gè)項(xiàng)目是變革性的，因?yàn)樗麄儙砹烁咄康钠脚_和極具創(chuàng)造性的科研團(tuán)隊(duì)?！?/p>

從技術(shù)發(fā)展到倫理討論

徐訊表示，作為目前國際上合成生物學(xué)領(lǐng)域最為前沿的項(xiàng)目之一，在參與過程中，中國科學(xué)家搭建了自己的技術(shù)平臺，掌握了一些關(guān)鍵技術(shù)，獲得了國際同行的認(rèn)可。不過從整體上看，缺乏基礎(chǔ)儀器、核心平臺和設(shè)施，也是中國在該領(lǐng)域未來發(fā)展最大的制約因素。

戴俊彪表示，目前絕大多數(shù)科研工作者的工作思路是從中下游突破，即購買進(jìn)口的設(shè)備和試劑做合成。這短期內(nèi)能有效果，但長遠(yuǎn)來看，缺乏上游核心的基因合成芯片、儀器等工具和平臺的支持，后續(xù)動力將嚴(yán)重不足。

“未來我國在該領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)該放在突破核心關(guān)鍵技術(shù)瓶頸上，重點(diǎn)儀器力爭實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，這方面產(chǎn)業(yè)界和科研院所可以進(jìn)行合作，聯(lián)合突破?！贝骺”胝f。

對于整個(gè)學(xué)術(shù)界而言，人工合成生命每一步進(jìn)展都讓人類對生命的本質(zhì)有了更深刻的理解，給人們認(rèn)知自然、利用自然帶來了新的工具。在看到它的積極意義的同時(shí)，科學(xué)家們認(rèn)為，應(yīng)該對其有可能帶來的負(fù)面影響加以關(guān)注，完善監(jiān)管制度。

實(shí)際上，“合成生物”自誕生以來，一直伴隨著巨大的爭議。人們擔(dān)憂，人類現(xiàn)在所生存和依賴的生命世界是大自然造化和生物長期進(jìn)化的結(jié)果，而人造生物將會破壞原有的生態(tài)系統(tǒng)，帶來巨大的生物安全風(fēng)險(xiǎn)。

這些風(fēng)險(xiǎn)包括合成后的生物體具有設(shè)計(jì)以外的副作用、將其自身基因轉(zhuǎn)移到自然有機(jī)體內(nèi)而污染自然基因資源，或者逃逸到大自然中威脅到當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有浴?/p>

“目前合成生物學(xué)發(fā)展還僅處于起步階段，還沒離開現(xiàn)有的監(jiān)管框架范圍。但隨著未來技術(shù)的進(jìn)步，技術(shù)突破人類控制，或者落入不法分子之手用于犯罪活動等都有可能發(fā)生，對此我們都必須保持高度警惕，與國際同行加強(qiáng)倫理討論，完善監(jiān)管框架?！贝骺”胝f。