让生命机器转起来

大肠杆菌，又名肠埃希氏菌，属于变形菌门，于1885年被发现，是一种肠道内的常见细菌，在大部分时间内和人体互惠互利。也有少部分特殊类型的大肠杆菌具有相当的毒性，可能造成严重的疫情。前一段时间闹得沸沸扬扬的德国蔬菜问题就是这少部分坏分子所为。当然，大肠杆菌的主流还是好的。更值得期待的是，在不久的将来，大肠杆菌，这个普通得不能再普通的细菌，有可能大踏步走进人们生活的方方面面。

　　

　　改造从了解开始

　　

　　生命是什么？这是生物学家甚至是所有科学家都感兴趣并试图回答的一个问题。从某种意义上来讲，每个生命体都是一个有序运转的机器，时刻保持着对外界环境变化的响应，通过与外界环境之间的物质和能量交换，维持自身的有序运转。

　　随着生命科学的发展，科学家们越来越多地发现，对于生物的理解不能仅仅局限于一个个孤立的基因、孤立的蛋白上面，需要更多了解在不同的生命现象中，各个基因、蛋白之间是如何作用的，各种不同的通路之间如何相互影响。

　　对于生物系统的研究来说，有两种研究方式。第一种方式被称为系统生物学，即通过观察细胞中各种基因在不同环境下、不同时间内表达量的变化，以及各种生物组件之间的相互作用，了解和推测细胞完成生命活动的机制。第二种方式被称为合成生物学，通过将一系列的生物组件整合到一个细胞中，实现特定的功能或者行为。诚然，第一种方式的研究结果更接近于生物本身的真实情况；但是第二种方式更加激动人心，我们在尝试的是改造生命，甚至创造生命。

　　

　　上帝不好当

　　

　　在改造生命的过程中，我们面临的最大问题是人类至今对生物本身的结构和功能尚不完全清楚，也就是说不知道引入的生物组件会对细胞产生怎样的影响。所以现在人们大部分的工作还是在对了解最清楚、结构最简单的大肠杆菌进行改造，这样可以最大程度地预期引入的生物组件对细胞的影响。但人类在技术实现上还存在一个很大的问题，就是限制性内切酶位点的设计。

　　我们知道基因工程的一般过程有如下几个步骤：第一是将目标基因片段扩增出来，并引入限制性内切酶的酶切位点；第二是将质粒用同样的限制性内切酶切开；第三是通过黏性末端互补将目标基因接入质粒中，构建成新的质粒；最后将质粒转染到菌体里，实现对菌体的基因工程改造。

　　通常情况下，质粒上的限制性内切酶的酶切位点都是经过人工设计改造的。设计主要从两个方面考虑：第一是目标基因片段本身不含有这种酶切位点；第二是识别置于目标基因序列两端酶切位点的限制性内切酶可以在类似的条件下工作。

　　表面上看这个流程没有什么问题，但当我们试图把第二个基因片段引入同一个质粒中时，限制性内切酶酶切位点的设计除了考虑上面两点之外，还要考虑不能影响第一个基因片段。同样，引入第三个片段的时候要考虑不能影响第一、二两个片段。这样每次引入下一个片段时都要考虑其对以前所引入片段的影响，设计难度是以几何级数增加的。

　　

　　大肠杆菌带来了什么

　　

　　为了解决上述难题，美国麻省理工学院（MIT）的科学家们提出了一种新的方法，即所谓的标准化方法。它的基本原理是利用一组同尾酶的特性，实现限制性内切酶的重复使用。也就是说标准化方法的准备工作是通过基因突变将各种基因片段中存在的四个限制性内切酶的位点完全突变掉。这是一个浩大的工程，但同时可以一劳永逸地解决限制性内切酶的技术问题。

　　为了推广这一想法，麻省理工学院从2005年开始举办以合成生物学为核心内容的国际基因遗传工程机器竞赛（简称为IGEM）。它吸引了包括剑桥大学、哈佛大学、加州大学伯克利分校等全球名牌大学参赛。每个参赛队伍，会收到一份标准化好的基因片段，它又被称为生物砖块（biobrick）。参赛队伍的目标是通过现有的砖块以及他们自己开发的砖块，设计并实现一系列的生物机器。这些机器可以模拟各种生命行为，也可以实现各种有现实意义的功能，让生物研究更加贴近于生活。由于目前我们对大肠杆菌了解得最清楚，而且它又是最简单的生物，所以绝大部分改造都是在大肠杆菌上实现的。于是，我们就看到了各种不同功能的大肠杆菌。

　　2004年，麻省理工学院组织美国5校参加了合成生物学夏令营。其中，美国德克萨斯大学奥斯汀分校报告了他们做的生物底片，此工作也发表在了2005年的《自然》杂志上。我们知道照相机底片的原理，就是将在光下可以发生化学反应的物质涂在底片上，然后在光照的刺激下，通过底片不同区域化学反应程度的不同，将景物记录下来。同样的，他们改造了一种对光有反应的大肠杆菌。通过将可以被光激活的信号蛋白和基因调控蛋白组合起来，实现了一个在光刺激下可以调节基因表达的蛋白。如果将这一基因与报告基因（如绿色荧光蛋白等可以直接被人观察到的蛋白）偶联起来，就可以实现生物底片。

　　换句话说，当有“百科知识”字样的光照在一块白色的涂满该菌种的平板上，我们就能看到绿色的百科知识字样在平板上显示出来。更神奇的是，在光照被移走之后，出现的文字依然会留在平板上。这样的神奇也成为很多合成生物学研究者原初的动力。

　　下面一个例子也许更贴近生活。

　　2009年，英国剑桥大学代表队将大肠杆菌带进了涂料行业，他们通过对一系列各种颜色蛋白的表达，做成了赤橙黄绿青蓝紫七色的涂料。虽然其实际应用情况尚不得而知，至少这种涂料极具环保价值。

　　更具环保价值的是2006年爱丁堡大学关于砷污染的工作。水源中的砷污染对人类健康影响很大，一般的化学检测方法存在的最大问题是检测的灵敏度不够。爱丁堡大学通过将一个可以被砷原子激活的调控蛋白与合成尿素的酶偶联起来，实现了非常灵敏的砷原子检验。其工作原理是，当水中的砷原子含量过多时，砷原子会被细菌吸收，激活调控蛋白，从而导致下游尿素合成酶被表达，大量尿素被合成出来，水溶液的PH值由此升高，进而使得水中的PH指示计变色。这就简单地实现了水中砷原子含量的检测和报警。

　　不过，仅仅对水中砷含量超标进行报警是不够的，我们最需要的是把水体中的有害物质—砷去除掉。2009年，荷兰格罗宁根大学代表队在爱丁堡大学的研究基础上，通过加入一个可以促进细胞内气泡生成的特殊蛋白，实现了这一点。

　　我们知道，鱼通过鱼鳔来实现在水里的沉浮。这种蛋白也能起到类似作用。该蛋白的大量表达，可以使细菌内部产生大量气泡，从而使细菌密度下降，漂浮在水面上。当细菌吸收了大量砷原子时，这种“气泡”蛋白就会大量表达，导致水中细菌密度大幅下降，砷原子由此被细菌带到了水面上。此时，人们只要除掉水的表层，就可以实现水质的净化。

　　除了上面提到的这些以外，大赛中还有很多其他有意思的工作，包括大肠杆菌香水、大肠杆菌啤酒、大肠杆菌血液等等。

　　

　　生物化时代的来临

　　

　　合成生物学作为生物学的一个新兴领域正在以突飞猛进的速度发展。2010年5月21日，美国科学家克雷格•文特尔（Craig Venter）通过将完整的基因组植入到细胞中，首次实现了人工生命。这个工作虽然和真正意义上的人工生命，即通过各种材料组合成的生命，还有一段距离，但它却使人类在探索生命的途中又迈近了一步。同时，在更基础的水平上，各种人工蛋白也在不断地被创造出来，2004年，美国科学院院士大卫•贝克（David Baker）研究组成功地实现了酶的人工设计。随着人们对生命体了解的一步步加深，也许在不远的将来，我们将告别机器走进生物化的时代。

　　【责任编辑】赵 菲