合成生命三部曲

美国克雷格·文特尔研究所的研究人员历时15年、耗资4000万美元创造了一些新细胞(人造生命)。这项研究的负责人J·克雷格·文特尔把世界上这一首个人造生命称为“辛西娅”(即“人造儿”)。其实，这个人造儿只是一个人工合成的基因组，由这个基因组复制和产生了一些细胞，因此其本质是一种合成生命。

　　

　　合成生命的前二部曲

　　

　　按照文特尔等人的人工合成基因组或创造一种人工生命的思路和技术路线，合成生命需要由三部曲来完成。其一是对某种最简单的生命进行基因组的测序，以了解其DNA碱基的排序。测序后的碱基排序可以存入计算机数据库。其二是根据这种自然生命碱基的排序来重新人工排序碱基，组建人工基因组。其三是，为了证明这种人工排序的基因组是否能创造生命，需要把它植入某种活细胞，如细菌细胞中，观察它们能否让细胞正常工作，或者产生出完全根据合成DNA指令生成的活体细胞。

　　此前，克雷格·文特尔研究所的研究人员已经完成了合成生命的前二部曲。

　　2008年，文特尔研究所的汉密尔顿·史密斯(此前由于对病毒DNA做出重大发现而获得1978年诺贝尔生理学或医学奖)的研究小组破译了人生殖支原体的基因组。生殖支原体是已知生命体中基因组最简单的一种微生物，寄生在人体尿道中。它只有一条染色体(细胞核，即DNA)和517个基因，包含58.297万个碱基对。自从破译了这种支原体的基因组后，文特尔和史密斯等人就想在实验室中重建这种细菌的基因组。但是，即使按照测序后存入计算机内的碱基排序来完全而彻底地合成生殖支原体的基因组也是一项艰难的挑战，因为它们的DNA长链非常容易断裂。

　　史密斯研究小组首先从基因组的原始排序开始，以确定起始序列无差错。然后研究人员在实验室将核酸碱基逐个累加制造出较短的基因片段。这些基因片断大约由6000个碱基组成，代表了一些重叠的细菌染色体。

　　然后，研究小组用一种酶把DNA片断连接起来，使得DNA链变得越来越长，直到其长度达到整个基因组的1／4。最后，研究小组将这些1／4基因组长度的DNA链插入酵母，后者可以复制和组合这些片段，使它们成为一个完整的染色体。最后，研究人员对他们新组建的基因组进行了测序，结果表明，除了极个别的碱基外，这个基因组与自然的生殖支原体一模一样。

　　这意味着合成生命三部曲完成了前两部，而第三部曲是要把合成DNA植入活体细胞，看看它们能否重新启动生命的程序。植入活体细胞的选择之一是，放入到生殖支原体，看看能否让生殖支原体具有生命功能，其二就是重新组装一种人工基因组并放到亲缘细菌中加以检验。克雷格·文特尔研究所的研究人员选择的是后一种方法。

　　

　　第三部曲的演奏

　　

　　克雷格·文特尔研究所的丹尼尔·吉布森小组选取了一种名为丝状支原体的细菌(供体细菌)，其基因组只有108万个硷基对。研究人员把它的DNA解码，然后利用化学方法一点一点地重新排列这种支原体的DNA序列，即对四个碱基对，腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)重新排序。这些碱基对也称为4个字母。

　　研究人员从丝状支原体基因的100多万字母(碱基)入手，对其DNA序列稍加修改。研究人员将整个DNA字母序列分成1100段，各自放进四瓶不同的化学液中进行连接和合成。然后，把这些DNA片断装进一盘酵母菌中，依靠酵母把DNA链聚合起来。接着，另一组研究人员，即约翰·格拉斯研究小组再将合成DNA植入山羊支原体(受体细菌)中。为了让两种支原体交换基因组，研究人员把丝状支原体包装到一个胶囊内，并用酶来分解它和摧毁它的蛋白质，剩下裸露的DNA(细胞核)。

　　接着，研究人员把这种DNA与山羊支原体混合在一起，并添加一种能把两种细菌融合在一起的化学物质。这样做的目的是让受体细菌能与裸露的供体基因组融合在一起，产生拥有两种支原体DNA的细胞。

　　研究人员用抗生素来杀死自然的基因组(受体山羊支原体的基因组)，而保留供体丝状支原体的基因组(人工合成的基因组)。由于合成基因组中包含了一种耐受特殊抗生素的基因，所以可以存活下来。

　　由于两种支原体的基因组约有75％是相同的，存活的丝状支原体基因组(人工合成的基因组)就会指令支原体不断复制，从而产生更多的新(子)细胞。其实，这些新细胞的细胞膜和细胞器是山羊支原体的。这证明，人工合成的DNA植入活体细胞后可以重新启动生命的复制程序。至此，文特尔等人合成生命的三部曲得以完全实现。

　　

　　合成生命的本质是嵌合生物

　　

　　人工合成的基因组所衍生的细胞其实是一种嵌合生命或嵌合生物。

　　以前，典型的嵌合生物有人兽胚胎，最近更让人印象深刻的一父两母的嵌合胚胎，是由英国纽卡斯尔大学的玛丽·赫伯特和道格·特恩布尔等人创造的。他们把一对夫妇(A、B)的受精卵的细胞核取出来，植入另一名健康女性(c)的去除了细胞核但保留了线粒体的卵子中。于是，这个胚胎就有了两位母亲，一位是提供细胞核遗传物质的母亲，另一位是提供线粒体遗传物质的母亲，当然父亲的细胞核遗传物质也传给了后代。这也是一种典型的嵌合生命。

　　但文特尔等人的合成生命有其特点。他们是通过模仿支原体的基因组来首先人工拼接成几个DNA片断，然后由酵母细胞把这些DNA片断连接起来，再把这种人工合成的DNA链植入同类支原体细胞中。最后，这些合成的基因组让细胞复制，产生了新生命。与过去许多嵌合生命相比，文特尔团队创造的合成生命最为突出的特点是人工合成基因组。这是更为自由地设计生命。这项研究的参与者丹尼尔·吉布森说，“通过这种方式我们现在有能力开启一种DNA序列并设计完全像我们的生物。我们能处理仅仅是核酸水平的物质并且进行改造，创造出我们所要的一种基因组。”

　　一父两母的生命是通过把受体卵子中的细胞核剔除后植入供体受精卵细胞核来完成的。但是，文特尔等人的合成生命是通过把人工合成的基因组植入受体细胞中并用抗生素杀死受体细胞的细胞核(基因组)得以实现的。这是两种完全不同的技术路线，因此文特尔团队需要克服许多困难，并且要有技术上的创新。

　　另一方面，文特尔团队创造的合成基因组并非是丝状支原体基因组原版的复制品，而是做了一些改动，其中有10多个无足轻重的基因被删除，而且在人工合成基因组时有少数并不影响细菌功能的基因错误。但这些细菌看上去仍然像是正常的丝状支原体，并只能产生丝状支原体的蛋白质。这就意味着设计、合成、装配及移植合成DNA将不再成为合成生物学的一种障碍。

　　

　　合成生命的用途和争议

　　

　　文特尔团队创造的合成生命有什么用呢?这可能是所有人最为关心的问题。

　　可以说，目前的这一技术为人类提供了一种前所未有的能力，能迅速让一个基因组产生许多变化，并在一个基因组中添加一些在自然中不存在但可能设计出来以执行有用功能的DNA片断。这使得对一个基因组作大范围的改变已经成为可能。例如，可以把大量的基因引入细菌以生产生物燃料和治疗疾病。研究人员可以重新编码一种有新功能的细胞，甚至可以把其他生物的DNA转移到人类干细胞中，以供再生医学治疗疾病之用。

　　但是，这只是未来的长远任务。研究人员坦承，在达到这些目标之前，还有大量的工作要做，因为我们现在尚不能完全理解功能基因和基因组，更何况不同生物的基因和基因组有很大差异。而且，合成DNA非常昂贵，至少在目前是如此，大多数科学研究小组并没有相应的资源来设计完整的基因组。

　　吉布森表示，他们的研究团队现在试图采用不同的细菌创造不同类型的合成细胞。该研究团队也打算用这种方式继续他们创造微小细胞的研究，这种微小细胞也许只包含维持一个细胞生存的最基本的几个基因。最终，研究团队希望确认维持生命最少需要多少基因。

　　不可否认，文特尔团队创造的合成生命引起了巨大争议。其中，最大的问题是伦理争议。尽管这科合成生命不涉及重新设计人，但却涉及重新设计生物。于是，这项研究首先涉及了一个问题：人类是否可以扮演造物主的角色来设计新生命?如果人类可以设计新生命，则第二个问题也产生了：人类设计出了自然界中尚不存在的新生命后，如何来监控?尤其当这种新生命对人和环境可能造成伤害之时。另外还产生了第三个问题：如果恐怖分子掌握和利用这种人工合成DNA的技术来生产生物武器，然后利用这类生物武器对他人进行攻击，这对人类而言，岂不是一个可怕的噩梦?