生物工程改變世界

所有地球生命都有一個共同的起源，都是“地球生命樹”開枝散葉的結(jié)果，所以它們都擁有一些共同的特征，從只在顯微鏡下才能看得到的細菌，到海洋中最龐大的藍鯨，構(gòu)成生命基礎(chǔ)的都是DNA“字母表”，以及以DNA語言為基礎(chǔ)的編碼方式。

人類飼養(yǎng)家畜、改良物種的歷史已有一萬多年，但直到20世紀(jì)70年代，DNA技術(shù)的崛起才真正讓人類認識到正是DNA編碼的差異造就了地球物種的多樣化，生物工程由此誕生，人類也因此擁有了跨越物種屏障的能力。在過去的幾年里，生物工程已經(jīng)發(fā)展成為新的產(chǎn)業(yè)革命，人類開始重新設(shè)計和改造自然，甚至從無到有創(chuàng)造出人造生命……

以下是生物工程科學(xué)取得的七大進展。

生物計算機

只要按下某個按鈕，正在進行數(shù)百萬次邏輯運算的計算機就會立即停下，但生命形式的運行則比最強大的計算機還要復(fù)雜得多，并且還會產(chǎn)生一些冗余無用的“雜音”，這意味著生物體的運行并非總是線性的、明顯的和明確的。合成生物學(xué)的部分工作就是要剔除那些冗余“雜音”，將生物學(xué)系統(tǒng)精簡分解成一個個“組件”，然后根據(jù)需要加以重建。

這種工作的結(jié)果就是可以將信息存儲幾萬年的超致密系統(tǒng)。2013年，生物電路的計算機化已經(jīng)取得了令人矚目的進展。2月，美國麻省理工學(xué)院的皮羅·斯路蒂等研究人員設(shè)計的DNA電路，利用類似于電子學(xué)中的邏輯函數(shù)，在大約9天的時間里，可存儲90代細胞的數(shù)據(jù)。一個月后，合成生物學(xué)先驅(qū)德魯·恩迪公開了他發(fā)明的可以像晶體管一樣工作的DNA系統(tǒng)。晶體管是所有現(xiàn)代電子學(xué)的最基本組件之一，是20世紀(jì)電子學(xué)的重要基礎(chǔ)，而生物版本晶體管的出現(xiàn)也將為生物計算機的誕生鋪平道路。

不再擔(dān)心太空輻射

基因工程合成細胞如何幫助人類適應(yīng)外太空環(huán)境？如今，美國宇航局正在利用合成生物學(xué)的知識攻克最后的堡壘。硅谷的艾姆斯研究中心的實驗室里正在進行一項研究，為宇航員提供可以經(jīng)受外太空極端嚴(yán)酷環(huán)境的裝備。

人類外太空探索的最大障礙之一是，以目前的推進技術(shù)，太空旅行往往需要許多年時間，在漫長的旅途中，太陽輻射和宇宙射線會給宇航員的身體帶來極大的威脅，甚至有可能導(dǎo)致機體產(chǎn)生有害突變。輻射對DNA危害極大，包括引發(fā)癌癥等。但如果屏蔽宇宙輻射的保護裝置太過厚重，又會給離開地球的發(fā)射任務(wù)增加大量的成本。

艾姆斯實驗室正在設(shè)計一種能夠產(chǎn)生細胞因子蛋白的合成生物電路，可保護宇航員免受太空輻射危害。細胞因子蛋白是機體抵御輻射危害的一種自我保護機制。但問題是，這種合成生物學(xué)電路安置在哪里好呢？讓它在身體里自由漂浮可不是個好主意。美國宇航局利用納米碳纖維設(shè)計了一種生物膠囊，這種膠囊可以植入宇航員的皮下組織，它的氣孔很小，令細菌無法逃逸出來，但足以讓產(chǎn)生的細胞因子蛋白從里面出來，起到保護宇航員的作用。

代替路燈的發(fā)光樹

人類發(fā)現(xiàn)并研究自然界中的熒光現(xiàn)象已有幾十年歷史了，包括美籍華裔科學(xué)家錢永健在內(nèi)的三名科學(xué)家因發(fā)現(xiàn)和研究綠色熒光蛋白而獲得了2008年的諾貝爾化學(xué)獎。螢火蟲能夠發(fā)光，是因為它們的基因中含有一種叫作熒光素酶的特殊蛋白質(zhì)。出于科學(xué)研究的目的，科學(xué)家通過遺傳基因工程，已經(jīng)創(chuàng)造出了熒光鼠、熒光貓、熒光豬等新奇發(fā)光生物。能夠發(fā)出熒光的觀賞魚是美國在寵物商店出售的首個基因工程寵物。

2013年6月，合成生物學(xué)Kickstarter項目籌集了近50萬美元開發(fā)發(fā)光樹，組成了以DNA“黑客”安東尼·埃文斯為首的三人研究小組。雖然有人認為真正實現(xiàn)無電照明還要克服許多障礙，但許多人對這個項目仍然抱有很大期盼，認為這也許開創(chuàng)了一個新途徑。這些正在進行中的研究項目表明，合成生物學(xué)正在崛起，實際應(yīng)用范圍也正在日益擴大。

殺滅癌細胞的斗士

目前治療癌癥最有效的方法不外乎化學(xué)療法和放射療法。盡管日前的癌癥治療技術(shù)已經(jīng)能夠越來越精確地針對失控的癌變細胞，但仍然會殺死許多健康的細胞，在治療過程中給病人帶來許多痛苦和折磨。

美國麻省理工學(xué)院的羅恩·韋思和他的研究小組設(shè)計了一種基因電路，將這種基因電路嵌入一種無害病毒之中，然后讓病毒感染細胞。病毒感染細胞之后會向細胞就五個生物學(xué)上的問題進行“提問”。如果這種分子“應(yīng)答”的結(jié)果是否定的，那么電路就會失去活動能力；如果五個問題的答案都是肯定的，那么該細胞就可百分之百地被確認已經(jīng)癌變。基因電路下一步要做的就是激活細胞的自毀程序。打個比方來說，放射療法就像老式的大口徑短槍，而基因電路就像狙擊步槍，兩者擊中目標(biāo)的準(zhǔn)確率是不可同日而語的。

不過，目前這種系統(tǒng)只對一種被研究得最多的癌細胞——海拉細胞有效，而且只能殺死培養(yǎng)皿中的癌細胞，還無法用于殺死動物體內(nèi)的癌細胞。所以，這種基因電路還無法在短期內(nèi)推廣到其他多種癌癥的治療中。但畢竟這是癌癥攻克之路上取得的又一新進展。

“細胞工具箱”

任何外出旅行的人都知道，沒有合適的電源轉(zhuǎn)換接頭是一件多么讓人頭痛的事情。電子行業(yè)早在幾十年前就已經(jīng)實現(xiàn)了元部件的標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)你需要一只二極管時，你可以買到現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件，而不需要自己去專門制作一個。基因工程至今為止還未能做到這一步。如今，“生物磚基金會”正努力在合成生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)推行生物元部件的標(biāo)準(zhǔn)化，以便于根據(jù)需要將“生物磚”以更有效更具創(chuàng)造力的方式“組裝”起來。每年，研究人員在研究中都要用到“標(biāo)準(zhǔn)生物組件登記冊”中的許多“生物磚標(biāo)準(zhǔn)元件”，這也是生物元部件的唯一來源。這些生物元部件都是免費供給的，并且都是可以瓦相適配的標(biāo)準(zhǔn)化生物元部件，目前這些“生物磚”的數(shù)最已達一萬種。

用“生物磚”組裝的產(chǎn)品不乏奇特創(chuàng)意。荷蘭一個研究小組研究的用生物工程細菌制作的檢測棒會令腐敗變質(zhì)的肉改變顏色，超市可利用它來監(jiān)測肉類制品的新鮮程度。

抗瘧疾新武器

全世界每年有數(shù)百萬人死于瘧疾。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計，自上世紀(jì)60年代以來，在撒哈拉沙漠以南的非洲地區(qū)，每年用于瘧疾治療的醫(yī)療費用已高達數(shù)千億美元。自17世紀(jì)以來，人類一直用奎寧以及瘧疾特效藥氯喹等來對付瘧疾，但因瘧疾病原體不斷進化的抗藥性，治療效果不很理想。如今最有效的瘧疾治療方案是多種藥物合成的“雞尾酒”，其中包括從苦艾中提取的關(guān)鍵有效成分青蒿素。但苦艾生長條件苛刻，在過去幾年里，青蒿素市場一直處于繁榮與蕭條的交替循環(huán)中，青蒿素的價格也一直處于不穩(wěn)定的上下浮動中。

當(dāng)杰伊·基斯林在實驗室里嘗試設(shè)計一種能夠生產(chǎn)柴油的基因電路時，他的學(xué)生貝克萊注意到實驗中產(chǎn)生的一種與青蒿素十分相似的副產(chǎn)品。于是，他們進行跟蹤研究，最終利用從三種不同有機生物體中獲得的12種基因，發(fā)明了細胞合成青蒿素產(chǎn)品，并于2006年正式公布。2013年，在獲得來自比爾·蓋茨基金會的大筆投資之后，這種藥物被分配到了瘧疾多發(fā)地區(qū)。

這種藥物的正式問世將是合成生物學(xué)革命的一個里程碑，也是生物工程學(xué)的第一個了不起的產(chǎn)品。合成生物學(xué)革命方興未艾。

清潔海洋的細菌大軍

2012年國際基因工程機械設(shè)計大賽的亞軍獲得者是倫敦大學(xué)，其獲獎作品是一個用來清除海洋污染的塑料島嶼。如今，漂浮在海洋上的塑料廢物每年多達數(shù)百萬噸。不過，這個巨大的人工島嶼并不是由廢塑料瓶子堆積起來的，而是由無數(shù)微小的塑料碎屑堆積起來的——這給海洋帶來的危害更大。塑料碎屑在海水漩渦里積聚起來，進入食物鏈，給海洋生物帶來身體上的損害甚至導(dǎo)致死亡。

倫敦大學(xué)的研究小組設(shè)計了一種有浮力的耐鹽細菌，這種細菌能夠?qū)⑺芰纤樾己推渌到馕镔|(zhì)區(qū)分開來，然后聚集成團，最后形成塑料島嶼。考慮到安全問題，這些基因工程設(shè)計的細菌對環(huán)境的影響都被降到最低，并有對這種細菌的DNA進行降解的配套系統(tǒng)。