地球唯一的非碳基生物_人造生命

　　一项实验结果立即引起全球的关注。有人认为它预示着生命科学可能进入新纪元,也有一些严厉的批评者指责实验的操纵者“想扮演上帝的角色” 　　 　　“辛西娅”来了
　　总有人试图解答生命的起源。如今,这个星球上信仰上帝的人们,或是坚定的达尔文主义者,可能遭遇一个突然“闯入”的强敌
　　□ 王家敏
　　
　　2010年5月21日,《科学》杂志报告
　　 了世界上首例“人造生命”的诞生―― 一种由人工合成的基因组所控制产生的单细胞生物――丝状支原体,由美国克雷格?文特尔研究所的科学家“制造”出来,它被该研究所的“老板”克雷格?文特尔命名为――辛西娅(synthia,意为“合成体”)。
　　这项实验结果立即引起全球的关注。有人认为它预示着生命科学可能进入新纪元,但一些严厉的批评者则指责文特尔“想扮演上帝的角色”。
　　美国总统奥巴马很快致信总统生物伦理问题委员会主席古特曼,要求在一周内评估这项研究在医学、环境和安全等领域的影响。
　　
　　15年“制造”出最简单生命体
　　听证会是一次正面交锋。
　　美国时间5月27日上午10点,文特尔出现在国会山,为引发伦理担忧的“人造生命”研究作证。他向听证会提交了36页的说明文件,涉及人工合成基因组控制生命的技术核心、研究过程、应用前景、伦理风险等关键问题,他回答,“我们的研究是一个概念证明,这些工具和技术将有望用于更多的关键领域。”
　　的确,“辛西娅”仅证明了“人造生命”这个概念,这种由人工合成基因组控制的单细胞生物,离复杂的生命形式还相去甚远。而“辛西娅”的技术核心在于其基因组完全由基本化合物人工合成,并被证明移植到近似细胞内后,仍能控制细菌的正常繁殖,因而被指“具有完全的生命特征”。
　　文特尔小组的技术路线包含三步:第一,对一种名为丝状支原体的微生物进行基因组测序,以解码其DNA的排序;第二,根据这种自然生命的DNA排序,用基本化合物合成基因组;第三,为了证明这种经过人工排序的基因组能否准确表达,需要把它植入到与其近似的山羊支原体中,观察它能否使细胞正常工作。
　　文特尔在听证会上表示,上述三个步骤耗用了研究小组15年的时间。
　　然而,一些科学家却并不看重这一成果。早在2007年,就在文特尔的构想初步实现的时候,英国剑桥大学生物化学系细胞信号转导专家尼克?盖伊在《卫报》上撰文认为,文特尔小组的工作是建立在其他科学家的研究成果之上的。完成这样一个实验,需要了解化学合成核酸的方法,需要利用DNA复制、遗传信息转录、翻译到蛋白质合成的多个步骤。而文特尔小组并非这些方法的发明者,“他们的工作只是利用这些现有的技术‘装配’出一个人工生命体。”
　　文特尔在5月27日的听证会中也坦陈,20世纪80年代以来,科学界开始大规模转基因实验与基因组测序,形成大量基因库,也为自己的研究提供了技术环境。尽管如此,文特尔仍对自己研究的意义充满信心,“即使我们已经发现了人类基因组的所有基因,但还是不能理解最简单的细胞,这就是我们继续研究的原因。我们必须制定新的工具和技术用于构建大片段基因代码,并学习如何将基因组转换到另一个物种。”
　　2007年的研究成果发表后,文特尔认为,“一旦完成了支原体人工合成基因组的准备工作,将能在很短的时间里合成第一个细菌。”他们预计这一过程大概需要数周或数月。而实际上,他们用了超过两年的时间。在新发表的研究结果中,文特尔团队最终完成了人工合成基因组,并将之植入活体细胞,重新启动受体细胞的生命程序:
　　研究小组将丝状支原体的(供体细菌)DNA解码,然后按照DNA序列,利用基本化合物合成了四条人造DNA链,并依靠酵母把四条DNA链聚合起来,最后形成关键的人工基因组。随后,通过基因组移植方法将人造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,并用酶来分解它们和摧毁它们的蛋白质,然后剩下裸露的基因组。
　　然后,科学家把这个裸露的基因组与山羊支原体混合在一起,并添加一种能把两者融合在一起的化学物质,产生同时拥有两个基因组的细胞。在这个杂交细胞分裂时,一种基因组(山羊支原体的天然DNA)应当在子细胞中完全死亡,而另一种基因组(丝状支原体的合成DNA)应留下来,才能检验合成的DNA是否具有复制和产生新生命的功能。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,研究小组用抗生素进行筛选,杀死受体基因组,存活的人工合成基因组就会指令细胞新陈代谢与繁殖。
　　
　　尚未打开的“黑匣子”
　　这项研究证明了文特尔的重要的观点,即人工合成的基因组被植入活体细胞后可以重新启动生命的复制程序。从根本上说,这也是合成生物学“重塑生命”的核心:生命的所有“零件”都能由化学方法合成,进而通过工程化的方式“组装”成实用的生物组织。对此,文特尔在听证会上表示,“将生命密码转换为计算机语言的0和1,人们就可以像编程一样控制基因和表达。”
　　早在2002年,文特尔就有强大的支持者。他接受了美国能源部300万美元的经费,计划在其马里兰州的生物能源替代品研究所,以基本化合物合成的DNA来创造一种新的微生物。这种微生物可以产生硫化氢用以燃烧,或者吸收和贮藏二氧化碳,以便除掉大气中过量的温室气体。
　　这一合成生物学技术向人们描绘了美好的前景。人类将攻克生命起源和生物进化等根本性难题,有能力影响植物和动物的生命过程,改变农业和生态环境,能够合成攻克疾病所需要的蛋白质,甚至改变人类的致病基因。
　　当然,也有人认为在医疗、环境等方面,合成生物的作用被夸大了。
　　“这一研究仍有多处尚未打开的黑匣子。” 中国科学院北京生命科学研究院副院长高福说,在设计、合成、装配及移植基因组的环节中,还存在两个瓶颈,“在解决这些问题之前,人类只能改造生命,而非真正意义上的创造”。
　　在设计环节,人类还没有能力像编程一样写出全新且能够准确表达的基因序列,只能是对自然基因进行模仿或者加强;在移植环节,人类还难以制造基因组生存的环境――细胞。这与克隆生物、试管婴儿等技术所遭遇的瓶颈一样。无论是从细胞里提取出来的基因,还是体外受孕的受精卵,都需要回到合适的生长环境,比如细胞或胎盘中。
　　高福表示,“现在还很难评估文特尔团队研究的实际应用前景,目前经典的应用技术是青蒿素、胰岛素等‘半合成’生物技术。”
　　“合成生物学在中国还处于建设学科的阶段,文特尔团队用了15年,花掉了7000万美元,其他国家的科学家是否需要进行同样的基础研究?”高福说,“我们需要考虑的是,如果不进行基础研究,有可能面对未来的专利垄断问题,但我们也有更为紧迫的任务,诸如解决中国眼前的医疗、环境问题。”
　　
　　“窥视”生命本质:从“多利”到“辛西娅”
　　人类应不应该制造新的生命体?20世纪90年代,克隆技术在全世界掀起巨大争论。这一次,文特尔有了更大的麻烦,“人造生命”不仅挑战上帝的创造,也遭到了达尔文主义者的诘难。
　　1996年,第一个真正意义上的克隆哺乳动物“多利羊”的诞生,就引起过这种争论。在“多利羊”之后,克隆猫、克隆猴等相继诞生,意大利甚至有克隆婴儿的报道,但至今未获证实。克隆实质上是一种无性繁殖技术,它是将体细胞中完整的基因组提取出来,注入一个卵细胞空壳中,由此培育出基因型完全相同的后代。与克隆不同的是,文特尔采用的基因合成技术是根据DNA排序,通过人工合成排列碱基而组成基因。
　　“这项研究涉及公共健康和安全问题,需要从哲学层面上加以关注。”听证会上,黑斯廷斯中心的生物伦理学家格雷戈里认为,“美国联邦政府应该在更高层面完善现有的监管框架”。
　　随着20世纪70年代出现的重组DNA技术,在这一领域工作的研究人员开始担心可能招致的风险。1975年2月,美国科学界在加利福尼亚州阿西洛马尔召开会议,讨论潜在的生物危害和生物技术管理制度,拟订了确保DNA重组技术安全的自愿原则。2007年6月,多位科学家在《自然?生物技术》杂志上发表题为《DNA合成与生物安全》的文章,提出了由合成公司、研究机构及政府管理机构相互配合、共同遵守的框架。
　　“科学界的规范并不能阻止不负责任的研究者,” 华中科技大学哲学系教授殷正坤在接受记者采访时说,“真正发挥作用的是有关转基因技术的严格审查和准入法规、有关辅助生殖的法规、以及禁止生殖性克隆的国际共识等。尽管中国的合成生物学研究刚刚起步,学界与政府还是应该尽早考虑严格的规范与审查。”
　　文特尔团队表示,他们的研究不会为任何恐怖分子所利用,他们已经故意制造缺陷,使生物在实验器皿外不可能生存。
　　实际上,更大的争议在另一个维度。
　　英国牛津大学伦理学教授朱利安?萨乌莱斯库评论说,“文特尔推开了人类历史上最重要、最基础的那扇大门――窥视生命的本质。他直接扮演了上帝的角色,创造出自然界原本不存在的新生命。”
　　“对他们来说,反对合成生命是一种信仰的直觉,这种直觉相信生命只能由上帝创造,或是在自然界中经过长期进化形成,只有顺应自然发展规律的行为才是符合伦理的。”殷正坤认为,“尊重生命确实是一条基本的伦理原则,但尊重生命并不意味着我们对地球上任何生命形式都不能利用和改造,况且,目前也只做到了改造这一步。”
　　
　　基因牛仔
　　畅游在风险投资的海洋中,科学天才克雷格?文特尔一次次用他的经历证明:真正的科学研究不用非要请政府“埋单”
　　
　　对于世界上众多深居简出的科学家来说,在实验室里的发明创造若能发表在《科学》和《自然》等顶尖学术期刊上就足够名垂青史了;而到了让政府兴师动众、主动质询的程度,许多人或许就觉得过分了。
　　但克雷格?文特尔似乎不这么认为。
　　迫于来自总统奥巴马和全社会的压力,美国国会众议院能源和商务委员会5月27日邀请文特尔就合成生物学技术的伦理问题接受听证。而就在“辛西娅”这一人工合成生命体成果面世当日,奥巴马就通过书面形式敦促美国生物伦理委员会督察这一项目的“安全”并向联邦政府汇报,语气不无担忧。
　　“生物合成技术能最终帮助人类摆脱对原油的饥渴。”这位63岁的科学家在美国国会山坚决地表示。“我们人工合成的细胞并非无中生有的生命。只不过,它的母体来自电脑工程。”
　　文特尔不是第一次面对政府的质疑,因此,如今的他比任何时候都更在意自己的发言平台。自从以他个人名字命名的研究所宣布那个具有生命甚至拥有“个性签名”基因的丝状支原体诞生之时起,这位倔强的美国人只在纽约接受了路透社的一次专访,他言辞谨慎。
　　
　　“单挑”人类基因组计划
　　1990年,全球人类基因组计划启动,美、英、日、法、德和中国相继加入。这一动用全球30亿美元的项目原计划用15年来完成人类全基因组测序。当时的文特尔还是美国国家卫生研究院的研究员。但在此期间,他已经掌握了快速辨识细胞基因的技术,并将其应用在人类大脑基因的辨认上。此后,这项技术还成为他在1993年独自创建的基因组研究院的开山之作。
　　痴迷工业化生产的文特尔逐渐觉得人类基因组项目是在愚公移山。用他的话说,这样耗时的速度慢得“令人心碎”。
　　“我们把传统基因技术用数十年才能完成的工程缩减到数月、数周甚至数天完成。”文特尔解释。而他的新创造和传统技术的主要区别就在于电脑科技的运用:文特尔用电脑程序模拟基因排序,而不再通过手工操作测序。这个方法把一个细胞的所有基因粉碎成无数个DNA片段,提供给测序机“破译”。电脑处理由此生产的琐碎数据,并把密码一点点拼接成完整的基因组序列。文特尔把这一发明叫做“霰弹测序法”,一股要打破生物工程旧传统的气势。
　　虽然这种方法只是对以往“快速标签测序法”的一种改进,但当科学家把大量工作交给电脑后,则大大提高了测序工作的速度。
　　“正是人工操作的费用造成基因测序这个项目居然需要耗费数十亿美元。”文特尔的计算不能说不精准。
　　自从文特尔得到风险投资商华莱士?斯坦伯格的7000万美元的投资,他就带领自己麾下的数百名科学家进行着通过融资实现研究,通过研究吸引更多融资的循环。
　　在文特尔的带领下,他所创办的塞雷拉基因组公司居然展开了与全球人类基因组计划的竞争。这项具有商业目的的研究计划一经报道便激起非议,因为塞雷拉研究计划的目的是要建立一个需付费才能使用的基因组数据库。因此,虽然文特尔一战成名,但他的“企图”在遗传学界完全不受欢迎。
　　虽然最终文特尔私有化的意图并未实现,本人也遭董事会解雇,但他的出现让人类基因组计划提前五年完成。文特尔本人也和他的老领导、美国国家卫生研究院院长弗兰西斯?柯林斯一起登上2000年7月《时代》周刊的封面,并出席了由美国总统克林顿在白宫主持的人类基因组计划测序成功的仪式。
　　
　　合成生物学:我的地盘我做主
　　这次几乎是个人英雄主义的成功让文特尔更大胆地抨击美国的科研资助体制。“政府每到拨款的时候都显得那么谨小慎微。其实真正杰出的想法是需要有勇气的人来投资的,因为人类未来的生存很大程度上取决于新科学的发展,我们已经不能再用一种常规的眼光来看科学的发展了。”文特尔曾说。
　　“到目前为止,我的所有突破性的发现统统不是源自政府投资的项目。当我们用快速方法给人类基因组测序的时候,政府不相信我们,直到后来我们的技术被承认,政府的资金才开始进来。但对于很多科学家来说,等到政府回心转意之时,可能早已经晚了。”文特尔言语中不无遗憾。
　　现在的文特尔继续在寻找投资合作伙伴完成自己的三个未来目标:制造能实现碳中和的细菌、为生产燃料电池制造能产生氢气的细菌,以及创新药物的发明。如今,他在三方面都取得了进展。
　　他的团队和石油公司合作,通过二氧化碳制造甲烷,并且利用地壳表层黏土、水、石油和沥青的混合物油砂来制造新燃料。此外,在马来西亚,文特尔的团队还在研究如何利用当地的槟榔油和麻木树来制作环保燃料的原料。
　　关于创新药物的开发,文特尔更是抱有极大的热情。“我们在研究制药学方面的新路径。我认为人类的未来在于创新科学的运用,在今后的药物领域,生物科学的使用将成为制药者的常规动作。”
　　
　　从越战老兵到科学奇才
　　文特尔出生在充满争议的摩门教圣城――盐湖城。即便后来全家迁居到西部城市旧金山,在亲戚们的眼中,文特尔的童年依然是不思进取。
　　中学毕业后,文特尔参加了海军医疗兵团,接受了医护兵的训练,并被派往越南战场。有文章曾指出,文特尔的冒险精神来自他1967年在越南战场上的死亡之旅。在越南岘港,文特尔见过怯弱怕死的年轻人,也见过誓死不屈的英雄,跨越了生死的他倍感在生命中冒险的意义。文特尔回国后就攻读圣迭戈大学的生物化学学士学位,几年后又获得生理学和药理学博士学位,从此走上了生物科技之路。
　　文特尔去年4月为英国《经济学人》杂志撰文,高调发表了自己对基因工程的态度。
　　“在人类10万年的演化史中,我们获取知识的渠道就是收集、解读生命信息。如果人类只是接收信息,而不成为信息的提供者,我们就不可能取得任何进步。如今,我们的社会存在沉沦的可能,这就是因为在基因技术逐步成熟的背景下,我们人类还未学会如何利用基因来传递生命知识。”文特尔写道,“人类靠性来遗传自己的基因,却只能依靠后天教育来传递前辈积累的生命信息。”
　　“人类已经到了可以汇集各自的基因,并构成种族的共同记忆从而创造人类未来的时刻了。”文特尔说。(崔晓火)
　　(本组文章摘自《中国新闻周刊》2010年第20期,作者为该刊记者)

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