給細胞編程

今天，人們已越來越離不開計算機，如果世界上的計算機都停止工作，整個世界會變成死水一潭。因此，更新換代最快的高科技產品就是計算機。目前所用的計算機都是用芯片等材料組裝的“死”機器。現在，科學家們已經不滿足于制造這種“死”計算機了，他們將研究方向轉向活的生物，生物工程師們企圖通過對細胞的編程，使細胞變成有生命的計算機，開發出一種“活”的計算機。這是一種全新領域的研究，這個新領域被稱為“合成生物學”。

什么是合成生物學?

地球上的每種生物體(人、植物、動物、微生物)都能追根溯源到36億年前地球塵土中出現的一個極微小的活細胞，它出現后不斷地自我復制、變異、組合，最后生成了現在地球上千變萬化的生物體。但是，近些年來科學家們已經不再局限于對現在生物體的改良，而想通過“合成生物學”的方法，扮演一次創造新生命的“上帝”：在實驗室內創造出完全不同于自然生物體的全新人造生物體。

雖然聽起來很玄，但“合成生物學”的思路很簡單，它利用計算機工作原理，將細菌作為硬件，基因作為軟件，來組裝成一個人工的全新生物體。這個生物體軟件中的可編程的“生物組件”是從生物公司就可以買到的、兩端可連接的、人工合成的DNA片斷，生物工程師就像組裝一個玩具一樣，將“生物組件”直接與細胞中的DNA組裝連接，一旦連接后，每個“生物組件”就會像計算機的程序一樣，修改、控制細胞的功能。人們可以通過放入和組合不同的DNA片段來“命令”細胞，使它產生不同的功能。例如，使用“生物組件”讓某種細菌產生芳香或發光。

合成生物學被美國評為全球九個開拓性新興科技領域之一，它所創造的這種有生命的、具有計算機功能的活細胞可以解決現在人們很難解決的問題。例如，把基因網絡同簡單的細胞相結合，可提高生物敏感性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置；在基因網絡中加入人體細胞，制成一個完整器官，用于器官移植等。

合成生物學的領軍人物是美國麻省理工學院的計算機工程師讓·維斯。他早在讀研究生時就迷上了生物學，并開始為細胞“編程”，他所領導的科研小組已經做出了生物組件，可以十分容易地組裝成不同的生物“產品”。

合成生物學的進展

雖然“合成生物學”是一個近幾年來才提出的新學科，但已經取得很多可喜的成果。目前，在一些大學和獨立的實驗室里，正在進行有關細胞編程的研究。他們已經使用在實驗室里制造的合成DNA，制造出自然界中不存在的病毒和細菌。這些生物被指定執行各種有益于人類和地球的任務。如進入血液循環以探查和破壞腫瘤，消滅導致地球變熱的有害氣體等。

為了合成一個新的生物體，要有三步曲。第一步是為細胞“編程”，第二步是將編程的基因安裝到細胞中，第三步是進行復雜的細胞組合，使它產生不同的功能。2002年，紐約大學的病毒學專家埃卡德·維默爾研究小組從生物技術公司購買了DNA短小片斷，并在DNA合成公司的協助下將它們連接起來，制造出了人工合成的脊髓灰質炎病毒。這項研究的成功為合成新的生命奠定了基礎。

2005年，維斯領導的小組進行了為細胞編程的研究。他們首先為大腸桿菌編程，使它在高濃度的化學物質中發出了綠光，而在感受到較低濃度時發出紅色的光。這樣，它們就可以作為一種生物傳感器來檢測人體或一些化學物質中所需要檢測物質的濃度，例如，當一些大腸桿菌發生變化時，可以引起這些人工合成的大腸桿菌發出紅色或綠色的熒光，人們就可以根據所發出光的顏色，知道這些大腸桿菌發生了什么樣的變化。

威斯康星大學的研究人員進行了大腸桿菌基因組組合工作。大腸桿菌的基因組中一些多余的DNA會干擾實驗室研究和工業生產的利用。因此，他們拆掉大腸桿菌中大片的遺傳物質，將一些具有特殊功能的人造基因插入，這種變瘦的大腸桿菌基因組可以使細菌無需在實驗室中接受特殊的照顧和培養，只需要少量的食糖作為食物，就能生產出大量的生物產品。新的基因組像計算機的軟件一樣，人們可以通過控制它的程序。達到不同的目的。例如，可以命令它大量產生有用的蛋白質和藥物。

美國科學家最近宣布，他們首次試驗成功使細菌大“變心”的創舉，實現了在物種間進行完整基因組的“移植”手術。文特爾和他領導的研究小組先利用特殊生物酶，將一種蛋白質破壞，得到完整的“裸DNA”。然后將這個基因組注入另一種剔出了遺傳物質的近親細胞中，并加入一種化學物質幫助“裸DNA”與它的“寄主”更好地融合。“移植手術”后，經過改造的細胞開始在植入基因組的控制下，產出其特定的蛋白質。這一“罩程碑式”技術的成功為首個“人造物種”的降生奏響了序曲。

目前，合成生物學研究已經取得了一些令人矚目的成就，最值得一提的是在制造特效抗瘧藥方面取得的突破。每年全世界因患瘧疾死亡人數多達300萬，原來的抗瘧藥喹寧由于長期使用，藥效一降再降。1972年發現的有效抗瘧藥青蒿素是從中藥艾蒿中提取的，由于提取成本高，無法大規模普及。2003年，加州大學的杰伊·凱阿斯林運用生物合成的方法將一個青蒿基因植入大腸桿菌，改造后的大腸桿菌制造出一種中間化合物，它經過數步處理就能成為青蒿素的原料——青蒿酸。2005年，杰伊把一種特殊的酶植入酵母后，酵母把前面提到的中間化合物改造成了青蒿酸。現在，通過微生物工業生產青蒿素的技術鏈條已經基本成形，估計在2009年就可以實現人工生產青蒿素，那時青蒿素的成本將下降90％。

目前，加州大學舊金山分校克里斯領導的小組正在設計一種將4種功能不同的“生物部件”植入細胞的實驗，將這種細胞注入人體后，它可以主動承擔起發現癌細胞、殺死癌細胞和保護正常細胞的功能。這樣，在病人毫無察覺的情況下就可以將癌癥治愈。這一研究目前正處于初期研究階段。

維斯另一項大膽的計劃是為成年干細胞編程，以促進某些干細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或軟骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產出合成膝關節。盡管該工作尚處初級階段，但卻是生物學調控領域中重要的進展。

合成生物學帶來的喜和憂

合成生物學的成功將意味著科學的極大進步。科學家預言人類不久將進入自己制造新生命的時代，人們將依賴于目前重要的研究成果——納米技術，在分子水平上制造出新的生命，這種新生命將按照人類的意志為人類造福。合成生物學通過修復細胞功能、消除腫瘤、刺激細胞生長和使某些決定性細胞再生等方式，實現治療各種疾病的目的；它可以制造出一個配備有生物芯片的細胞機器人，讓它在我們的動脈中游蕩，檢測并消除導致血栓的動脈粥樣硬化；它可以制成各種各樣的細菌，用來消除水污染、清除垃圾、處理核廢料等；制造一種生物機器來探測化學和生物武器，發出爆炸物警告；它甚至可以從太陽中獲取能量，用來制造清潔燃料。

然而，一切新事物的出現都會存在一些問題和反對的呼聲。一些科學家擔心存在潛在的生物恐怖和環境問題，由于目前還沒有生物合成監管的相關規定，生物恐怖主義分子可能利用生物合成技術制造致命病毒或生化武器，實驗室中炮制的人造細菌也可能給環境和人類帶來更大的風險。對于這些問題是應該引起注意的，也是容易解決的。例如，這些實驗室合成的細菌極其脆弱，流失到野外將難以生存，不會污染環境。

另有一些人認為合成生物學創造新的生命是違背“上帝是唯一造物主”的倫理。從事合成生物學研究的科學家們對這種看法嗤之以鼻，他們認為生命并非魔法，懷有宗教情結的老一代生物學家已經跟不上科學的發展。DNA雙螺旋結構的發現者沃森教授說得更加大膽：“如果我們不扮演上帝，誰能扮演呢?”

[責任編輯]蒲 暉