新生命如何在实验室“被创造”

CFP/图

带有人工合成基因组的支原体，这是一种能够自我复制的新物种，科学家称之为“辛西娅”

克雷格·文特尔(左)和密尔顿·史密斯是这一划时代实验的负责人

创造“辛西娅”团队的主要成员

　　2010年5月20日，美国私立科研机构克雷格·文特尔研究所的一个科学家小组在美国《科学》杂志上报告了世界上首例人造生命的诞生。这是一种由人工合成的基因组所控制的单细胞生物，是地球上第一个由人类制造的能够自我复制的新物种。这项具有里程碑意义的实验表明，新的生命可以在实验室里“被创造”出来，而不一定要在大自然中“进化”而来。成果的宣布立即在全世界引起了广泛的关注和争议。

　　项目负责人文特尔把这一人造生命命名为“辛西娅”(Synthia,即“人造儿”)。其实,这个人造儿只是由人工合成的基因组产生的一些最简单的生命。科学家首先对一种名为丝状支原体 (M.mycoides)细菌的基因组进行解码并复制,由此产生人工合成的基因组。然后，他们把合成基因组移植入一种相似的细菌———山羊支原体 (M.capricolum)中，通过“重启动程序”，细胞内的人造基因组开始主导细胞的分裂和复制,最终形成一种全新的生命。

　　新生命诞生的前奏

　　按照文特尔等人的人工合成基因组创造生命的思路和技术路线,需要由三部曲来完成。第一是对某种最简单的生命进行基因组测序，以了解其DNA碱基的排序；第二是根据这种自然生命碱基的排序，对一个个碱基进行人工排序,从而组建人工基因组；第三是为了证明这种经过人工排序的基因组能否创造生命,需要把它植入到某种活的细胞如细菌细胞中,观察它们能否使细胞正常工作,或者产生出完全根据人工DNA指令生成的活体细胞。

　　此前,科学家已经完成了人造生命的前两部曲。2008年,克雷格·文特尔研究所的汉密尔顿·史密斯(HamiltonSmith,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)小组破译了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)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，文特尔和史密斯就想在实验室中重建这种细菌的基因组。但是完全而彻底地合成生殖支原体的基因组是一项艰难的挑战，因为它们的DNA长链非常容易断裂。

　　史密斯小组首先由获取基因组的原始排序开始，以确定起始序列无差错。然后科学家在实验室里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。其中的一些片段还包含有“水印”,即特殊的标记碱基,目的是区别人工染色体和自然染色体。然后,研究小组用一种酶把DNA片断连接起来,使得 DNA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,后者通过复制和组合,使这些片段成为一个完整的染色体。研究人员对他们新组建的基因组进行了测序,结果表明,除了水印部分外,这个基因组与自然的生殖支原体一模一样。

　　在过去的研究中,研究人员常采用搭建DNA 积木的方法排序,但是很难用人工排序的方法合成细胞的染色体；而且DNA搁置时间越长,就会越脆弱。这使得研究工作难以展开。在此之前,研究人员人工合成过规模最大的DNA,但只含有3.2万个碱基对，而此次文特尔和史密斯团队成功合成了超过58万个碱基对的DNA链。

　　这意味着人造生命前两部曲的完成。最关键的第三部曲是要把人造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,放入到生殖支原体中,看看能否让生殖支原体具有功能,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108万个碱基对。研究人员把它的染色体(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)、胸腺嘧啶(T)一一排序,最后形成了四条DNA链。

　　这些DNA链被分别放进四个盛有化学液的瓶子，然后把这四瓶DNA液体装进一盘酵母菌中，依靠酵母把四条DNA链聚合起来。然后，另一组科学家即约翰·格拉斯(JohnGlass)小组再将人造 DNA植入山羊支原体(受体细菌)中。

　　格拉斯等人是如何把丝状支原体(供体细菌) 的DNA移植进山羊支原体(受体细菌)内呢？首先是这两者具有亲缘关系，两种支原体的基因组约有75％是相同的,而且支原体细菌具有迄今所知的最小的基因组,较容易操作。

　　格拉斯等人发现,带有新基因组的山羊支原体如同丝状支原体一样,能产生具有丝状支原体特征的蛋白质分子。这就像在计算机中重启一个新的操作系统。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，并用酶来分解它们和摧毁它们的蛋白质，然后剩下裸露的DNA(细胞核)。

　　然后，科学家把这种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。这样做的目的是希望一些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。

　　但是科学家的最终目标是,在两种细胞的杂交体分裂时，一种基因组(山羊支原体的天然DNA)应当在子细胞中死亡,而另一种的基因组(丝状支原体的合成DNA)应留下来,这才能检验合成的DNA是否具有复制和产生新生命的功能。他们采用的方法是用抗生素来杀死前者，而保留后者。由于供体丝状支原体的基因组中包含了一种耐受特殊抗生素的基因，所以可以用抗生素来实现这一目的。这样,存活的丝状支原体基因组(人工合成基因组)就会指令细胞不断复制，从而产生出更多的细胞。

　　其实，这些新细胞的细胞膜和细胞器是山羊支原体的。这样的细胞装置来解读和执行人工合成的基因组的遗传指令也是可行的，就证明了一项重要的观点，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,文特尔等人的设计人工生命的三部曲得以完全实现。

　　人造生命的本质

　　这样产生的新细胞,离复杂的生命体还相去甚远,称其为合成生物或有机物也许更确切。

　　以前，典型的嵌合生物有人兽胚胎。最近更让人印象深刻的是一父两母的嵌合胚胎，它是由英国纽卡斯尔大学的科学家创造的。方法是，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。这是另一种典型的嵌合生命。

　　但文特尔的人造生命有其特点。与过去许多嵌合生命相比，文特尔团队创造的人造生命最为突出的特点是人工合成基因组。这意味着更自由地设计生命。这项研究的参与者丹尼尔·吉布森 (DanielGibson)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。”文特尔研究所创造的合成基因组并非是丝状支原体基因组的原版复制，而是做了一些改动,其中有14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。但它们看上去仍然像正常的丝状支原体，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。

　　打开了潘多拉的盒子?

　　文特尔等人创造的人造生命有什么用呢?这可能是所有人最关心的问题。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。这就使得科学家对一个基因组做大范围的改变成为可能。例如,科学家可以把大量的基因引入细菌以生产生物燃料和治疗疾病。

　　但是这只是未来的任务。科学家承认,在达到这些目标前,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,至少目前是如此。大多数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,他们的研究小组现在试图采用不同的细菌创造不同类型的合成细胞。该团队也打算用这种方式继续创造微小细胞的研究。这种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,科学家希望确认维持生命最少需要多少基因。

　　不可否认的是,文特尔的人造生命引起了巨大争议。其中最大的问题是伦理争议。尽管这种人造生命不涉及重新设计人,但是显然涉及到重新设计生物。于是,这项研究首先提出了一个问题，人类是否可以扮演造物主的角色。

　　如果人类可以设计新生命,则第二个问题也产生了。如果人类设计出了自然界中尚不存在的新生命,且新的生命有可能对人和环境造成伤害，这种情况如何才能避免。顺理成章地也产生了第三个问题,如果恐怖分子掌握和利用了这种技术来生产生物武器,这对人类将是可怕的噩梦。