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生命2.0

2007-01-15 11:02 作者:吴戈 2007年第2期
对生物黑客来说,生物是由不同部件组合而成的活机器。机器可以做什么?

对生物黑客来说,生物是由不同部件组合而成的活机器。机器可以做什么?

美国《发现》杂志在2006年第12期上开始评选首届年度科学家奖。最终这家杂志只选了一位——加州大学伯克利分校42岁的合成生物学家杰·基斯林,此人的研究即使在这些杰出人物中也举足轻重。这种研究在3年前刚刚被人称为合成生物学,其目标不仅是操纵单个基因,而是将很多基因组合起来,就像晶体管组成集成电路一样。

在此之前,遗传工程已经创造了奇迹,但只是把一个物种的部分基因延续、改变并转移至另一种。合成生物学则从最基本的要素开始,一步步制成零部件,用不同部件,设计和构建可以按预定方式存在的生命体。本质上,这是一个逆自然的过程。

即使最狂热的预言家也很难想象它的前景。人造DNA?还是实验室中有控制的进化?谁知道!唯一可以比拟的是,这就像指望60年代的计算机先驱们预测出后世的互联网和iPod一样。但与计算机根本不同的是,这扇大门后面不是一个虚拟世界,而是造物主的私人花园。“有一天,我们现在思考的事情将显得如此短视。”麻省理工学院的萨曼莎·萨顿说。

萨顿的人生转折发生在电气工程学位的第二年,当时她正在测试防抱死刹车。“总像缺少了什么。”她说:“我感到普通的工程并不是我想象的创造,实在找不到真正兴奋的地方。”内心的冲动使萨顿走出了不同寻常的一步:毕业后转向了生物学。现在,她正用基因和蛋白质而不是电线来组装“电路”,细菌细胞是“底盘”,被当作电路板和电池使用。当传统生物学家仍将细胞看成一个整体,竭力了解它微妙的细节时,萨顿和同事们却想去掉这种复杂,创造简单而神奇的细胞。

一砖一瓦

与计算机革命相比,今天的生物黑客最不利的一点是基础。“苹果电脑起步时,已经有很多商品电子零件。”麻省理工学院的合成生物学家德鲁·恩迪说。“沃兹不需要连电源都要从原料开始制造。”而这是商业遗传工程的现实。“过去完全是随便从自然界找点遗传物质,直接加以利用而已。”恩迪说。

实际上,“遗传工程”这个说法并不恰当。首先,他们最多的还是用大肠埃希氏菌大量制造需要的蛋白质,还常常发现借来的基因序列在习惯的环境以外水土不服。恩迪说,真正的工程师是根据预先的设计,制成能可靠运转的系统,“而遗传工程看上去一点也不像工程。”

所以,麻省理工学院的合成生物学家们将建立可靠的标准部件库作为初步目标之一。最简单的部件是一小段DNA,包括制造蛋白质的基因序列,以及控制基因活动的钥匙。还有复合部件,它们能构成简单的基因装置。目前,这个部件库已有167个基本部件和421个复合部件。虽然与电子部件的规模不可同日而语,但每年都有稳步推进,始于2003年的国际遗传工程机器竞赛已成为年度盛事,沃伊特的装置就是2004年的获奖作品,2006年的比赛吸引了全球39个队参加。

合成生物学家也在努力驯服他们的装置所寄居的细胞。威斯康星-麦迪逊大学遗传学家弗雷德·布拉特纳培养出简化的大肠埃希氏菌,基因组少了约15%,但还有约3700个基因。莱特更青睐从佛罗里达的一种花里分离的初级微生物,这种花只有682个基因。现在,莱特正试图重构这种微生物的基因组。克雷格·文特尔也在全力探索生命所需的最小基因片段。

证明自己

合成生物学的第一个有趣成就出现在2005年11月的《自然》杂志上。加州大学的克里斯·沃伊特领导的小组把大肠埃希氏菌变成了活着的摄影胶片。他们将藻青菌感知光线的基因接到大肠埃希氏菌中,后者遇到红光就产生黑色素,成为一种老式但分辨率很高的摄影胶片。

更实用的成果出自杰·基斯林。2004年12月,比尔·盖茨夫妇基金会为他提供了4260万美元,希望通过合成生物学方法,大幅度降低抗疟疾药物的价格,拯救全球每年死于疟疾的约300万人。

80年代初,遗传工程刚刚走出实验室,少数公司开始尝试制造胰岛素、生长激素等产品。基斯林的博士学位选择了化学工程而不是生物。他猜测,在一个细胞里发生的事应该酷似一个化工厂:石油输进去,经过一整套反应,出来的是塑料。如果进入微生物细胞,使它变成制造药物的化学反应器,不光可以采用糖等便宜的原料,还能迅速扩大规模。

1992年,基斯林到加州大学伯克利分校任教,到2002年研究已初见成效,还建立了世界第一个合成生物学系。他的方法可以制造薄荷醇,也可以制造β胡萝卜素,但直到偶然从一篇文章上获悉:治疗疟疾的特效药青蒿素来自苦艾植物,提取过程缓慢而昂贵,使它的价格是其他抗疟药的20倍。

虽然当时甚至不知道青蒿素是什么,但基斯林清楚:这是合成生物学的曙光。2003年,他们首次成功制成青蒿素的前体。2005年4月,他们已经将细菌、酵母和苦艾的基因合为一体,使酵母变成一个生产青蒿酸的化工厂,剩下的只需找到大规模生产的办法。在当月的《自然》杂志上,基斯林透露:可望2009年末投产青蒿素,届时成本将从1美元/克降低到10美分/克。

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