淺議無細胞生物科技加速創新

摘 要：相比傳統的基因工程，無細胞生物技術能夠更加準確的控制，最終產品可以進行大規模產生。無細胞生物技術意味著沒有任何生物化學過程浪費在運轉、發展和分裂任何實質細胞上。事實上，科學家們最初的目的就是為制造特定產品尋找最佳基因的一種快速方法。

關鍵字：無細胞生物；創新；生物科技公司

人類的生命物質包裹在一個稱謂“細胞”的微小口袋中。細胞內部是DNA分子，攜帶了如何運轉人類細胞的指令，發展、被激發，最終分裂為兩個細胞。RNA（核糖核酸）——存在細微差別的分子信息，攜帶指令進入稱謂“核糖體”的分子細胞中。一個核糖體的工作是讀取RNA信息，并且將它們轉化為蛋白質。接下來，這些蛋白質會監督、執行運轉、成長以及分裂的過程。

1 無細胞生物工程的產生

這是自地球上出現生命體的40億年以來，一直完整運轉的一套體系。可是，對于有些生物技術學家而言，細胞或許只是一頂老舊的帽子。他們認同DNA、RNA、核糖體和蛋白質的配置，它們可以被設計成為有其他用途的化學成分，從醫藥到建筑塑料模塊。但是科學家們一直試圖，逃脫包裹這些物質的袋子，進入細胞內部僅僅留下原漿質“粘液”用于他們的指令。

所以，相比傳統的基因工程帶點來的可能性（甚至像CRISPR-Cas9這樣先進的基因修正技術），無細胞生物技術能夠更加準確的控制。在這里，基因信息是由核糖體（Ribosomes）轉譯，最終產品可以進行大規模產生。

同樣重要的是，無細胞生物技術意味著沒有任何生物化學過程浪費在運轉、發展和分裂任何實質細胞上。事實上，科學家們最初的目的就是為制造特定產品尋找最佳基因的一種快速方法。最終，所有努力形成的這樣的成果——無細胞生產將意味著大規模制造。

2 無細胞原漿的制作過程

無細胞原漿質粘液的制作過程如下：取4公升培養皿的大腸桿菌（大腸細菌深受基因工程學家的偏愛）。壓力作用下，通過微型閥門打開細菌細胞，撕裂細胞膜和DNA，最后釋放核糖體。在37攝氏度下培養得到的混合物一小時，然后激活能吞噬DNA碎片的一種稱為核酸外切的酶。運用離心機，將細胞膜和其他碎屑廢棄物從包含核糖體的粘液中分離出去，分離去除多余的離子。然后，拌入氨基酸（蛋白質）、糖和攜帶能量的三磷酸腺苷（ATP）分子。最后，加入少量進行嘗試，并對產生的蛋白質粘液發出指令。

這一研究過程，采用的是加州伯克利大學的Synvitrobio公司的研究方法，這是一家加州理工學院的Zachary Sun和Richard Murray以及哈佛大學喬治George Church共同創立的一家公司。運用不同生物體的其他無細胞技術也正在展開實驗，比如，酵母和鏈霉菌就成功進行了實驗。煙草的細胞或是中國倉鼠的卵巢也是進行這個實驗的不錯選擇。在自由懸浮暫停，所有這些公式在隔絕細胞的蛋白制造機制的狀態之下，將成為變種。

Synvitrobio公司的工程師建立了一種機器人系統，融入他們實驗的最后一個階段。這個機器人將精制的原漿細胞打包注入一批384個微型試管中。每一支試管裝有幾百萬升之一的細胞液。然后，將一些DNA分子投入每一個試管，在這些分子信息轉化為蛋白質的過程中，分離出的粘液開始發揮作用。目前，這個系統能夠為每個試管處理8個DNA序列，這意味著能夠同時處理3072個蛋白質。這樣能夠達到1萬個基因“字母”的長度——這足以編碼任何你能夠注意到的蛋白質分子。

3 無細胞系統的使用情況

現在，Synvitrobio公司正在使用這一系統測試DNA序列，測試它能否值得作為抗生素考察。通過黏合到生物學上重要的分子，并且以傷害部分生物體的方式改變分子特性，才能讓藥物開始發揮效用。為了尋找這樣的黏合，每一個迷你試管同時裝備了一些特定的分子，每一個附上“報道者”標簽的分子，當黏合發生就會發出光亮。那些閃爍的試管標志著，其中一組或多組的DNA序列值得研究者注意。所以，Synvitrobio公司的技術能夠以新DNA序列特定的速度，掃描出潛在的藥物。

按需人工合成新的基因序列是現在國際通行的技術，這意味著全球的基因庫可以如候選人一樣被爭奪。基因被殘忍扭曲篩選，直到最好的基因出現。而此刻重點在于，如果當Synvitrobio公司將新發現的分子，以傳統科技黏合進合適的細胞內，在發酵罐中培養這些細胞，就如同釀造啤酒的過程一樣，這相比簡單將它們投入粘液中要消耗更多的時間。

靠近美國舊金山的SutroBiopharma生物制藥公司，已經使用了無細胞系統生產抗癌的抗體。今年月，Sutro公司宣布運用這套系統生產阻止腫瘤擴散的STRO-001抗體，并計劃在2018年開始臨床試驗STRO-001抗體。用于試驗的無細胞抗體即將開始生產。抗體是特殊的蛋白質，所以一旦Sutro公司的系統鑒定出最佳的“候選人”，所有需要的工作就是編碼“候選人”的DNA粘液。

Genomatica是一家位于圣地亞哥的生物科技公司，現在正在試驗利用無細胞系統，從單糖中獲取1：4-丁二醇。1：4-丁二醇是一種用于制造聚合物（比如萊卡）的小分子。一般來說，相比生物科技，從化學過程中提煉這種尺寸分子的成本更低，而1，4-丁二醇恰恰是一個例外。

Genomatica公司的系統在合成過程中大量生產出關聯的酶，產生一個完整的無細胞代謝途徑——就是所有糖可以專注用于特定的化學物質，而不是為了謀取最大利益，運轉一個細胞的其他生化過程。目前，這家公司還沒有將系統用于商業使用，而對于它賦予更高的期望。

美國馬塞諸塞州的綠燈生物科技公司，同樣計劃根據大腸桿菌，運用無細胞系統生產不易消化的核糖類似物——一種自然形成的糖，可應用于零卡路里的飲料中。而借助于基因修改過的大腸桿菌已經應用于工業生產。這家公司表示，他們對這套系統的熟練操作已經達到一定高度，能夠每次生產數千公升的糖溶液。

與此同時，綠燈公司用無細胞系統，生產工業定制量產的RNA分子，阻止昆蟲幼蟲發展，可以用做殺蟲劑。現在，RNA生產的成本是每克5000美元。綠燈公司認為，擴大生產過程，成本能夠降低50-100美元。

無論無細胞生物科技，能否通過制造化學物質的基因修正技術，來取代發酵技術，這還有待時間檢驗。自從12000年前啤酒杯發明以來，發酵就成為一種經過人類考驗值得信任的技術。

然而，剝離生物分子，直至剩下最后裸露的本質，同時也是最具效率的部分，至少對于一些應用而言，生物細胞的功效能夠被充分發揮。

參考文獻

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作者簡介

王麗娟（1995-），女，漢族，河北唐山人，本科生在讀，現就讀于河北大學生命科學學院，生物工程專業。endprint