制造前所未有的生命

岑夫子

地球上的生命可謂一個奇跡。

可是，什么是制造這個奇跡必不可少的呢？隨著人們對生命一步步地深入認識，原先認為必不可少的東西（比如說蛋白質）都被一一拋棄了，最后只剩下一樣東西——DNA。生物學家發現，所有的細胞生命都離不開DNA。

但現在他們又發現，連DNA也不是生命所必需的。

天然的DNA有哪些特征？

細胞生命的最重要特征之一是遺傳，遺傳是通過DNA上的基因復制來實現的。這些基因不僅告訴我們的身體該怎么長，還把父母親的特征傳給我們。DNA被稱為“生命密碼”就是這個道理。每個人身上都有這樣一套“密碼”。

DNA的構造是1953年由沃森和克里克破譯的。他們發現，它由兩條以雙螺旋的形式互相纏繞的脫氧核苷酸長鏈組成，中間通過一對對堿基相連。如果把DNA看成一架雙螺旋狀的梯子，兩條長鏈就相當于兩邊的扶欄，而堿基對相當于中間踏腳的橫木。每條“橫木”都由兩個堿基組成，每邊各出一個，堿基之間則通過氫鍵（一種分子間作用力）相連。

堿基有4種類型，它們只能以特定的方式配對：腺嘌呤（A）配胸腺嘧啶（T），鳥嘌呤（G）配胞嘧啶（C）。堿基的序列就編碼著我們基因中的信息。

這些堿基的大小還不一樣，嘌呤要比嘧啶大，所以每對堿基事實上是以大對小，或小對大的方式配對的。

這一切構成了我們對DNA的基本認識。自然界中存在的DNA都符合這些特征。

天然DNA的特征被一一打破

但是，近年來越來越多的研究表明，這些特征并不是DNA的遺傳功能所必需的，改變其中的一些特征，DNA照樣能工作。如果我們狹義地只把天然的DNA認作DNA，那么修改后的DNA就不能算是真正的DNA了，我們完全可以給它取個另外的名字。

對DNA的第一個重要修改是擴大了堿基的數量。2014年，一位美國生物學家制造了具有6種堿基的DNA：原始的4種堿基加上2種人工堿基。

后來，英國劍橋大學的一位分子生物學家又進行了另一項嘗試。他保持堿基不變，但把DNA長鏈上原先的脫氧核糖替換成其他分子，制造出“XNA”（DNA中的“D”代表的就是脫氧核糖）。他發現，非天然的XNA也能行使遺傳物質復制的功能。

最近，美國生物學家斯蒂芬·本納和他的同事又對DNA花樣翻新。他們用4個分子團替代標準堿基，制造出一種人工DNA，因這些分子團比堿基小，所以這個人工DNA比天然DNA要瘦;此后，他們如法炮制，用另4個大分子團，制造出另一種胖DNA。

不管瘦還是胖，它們都發揮了DNA的關鍵功能：如果兩個堿基配對不正確，錯放的一個就會被迅速清除，并被正確的堿基取代。天然DNA就是這樣確保我們的基因不會被弄亂的，而修正版的DNA也能做到這一點。

更值得一提的是，這樣的人工DNA還打破了一項規則。我們前面提到，在天然DNA上，堿基是以“大對小”或“小對大”的方式配對的。但在瘦DNA上，配對方式是“小對小”;在胖DNA上，是“大對大”;而兩者都一樣能工作。

目前的人工DNA主要在非細胞生命環境中（比如病毒）工作，有個別是在細菌中工作。前面提到的有6種堿基的人工DNA，科學家將其植入大腸桿菌后，制造出152種自然界并不存在的氨基酸。做這種實驗，先要把細菌的天然DNA用人工DNA替換掉，但既然DNA都改變了，細菌當然嚴格來說都不是原先的天然細菌，只能算人工細菌了。但這些人工細菌在實驗室只要給予必要的資源，都能自我復制和繁衍。

還是大自然更勝一籌

既然這么多人工DNA也能工作，這就引出一個問題：DNA是生命進化過程中大自然鬼斧神工的杰作，還是只是眾多設計方案中再普通不過的一種呢？

最初，科學家對天然DNA很不以為然，認為它的設計很多地方顯得十分“笨拙”。以那兩條脫氧核苷酸長鏈為例，它們富含負電荷，這是多么愚蠢的一項設計。我們知道負電荷之間會互相排斥，所以兩條DNA鏈很難聚集在一起形成雙螺旋結構，于是才有了堿基配對這種方式，幫助DNA鏈形成雙螺旋結構。

再有，配對堿基之間是通過氫鍵結合在一起的，但是氫鍵的結合力是非常弱的，很容易被水分子破壞，可細胞里含量最豐富的恰恰就是水。如果換做你，你會放心用這么脆弱的一種方式將重要的遺傳信息遺傳下去嗎？

但當科學家們自己去設計人造DNA的時候，通過一次次失敗，他們才參悟到，天然DNA的這些“缺陷”恰恰是它的獨到之處。還是以帶負電荷的兩條長鏈為例，當科學家用電中性的分子替代之后，他們發現這樣的長鏈根本伸展不開，稍長一點就擰在一起。所以，大自然在DNA鏈中設置這些負電荷，讓兩條長鏈相斥，可能就是為了讓DNA長鏈保持一種伸展的狀態。

之后的研究又發現，連接兩個堿基的氫鍵雖然很弱，容易被水分子破壞，但也因此比較容易拆下來替換。這提高了DNA自身的修復能力。

此外，盡管科學家已經研制出這么多能工作的人工DNA，但它們在每次復制中，保真率（即正確復制的概率）還是不如天然DNA。人類目前能夠達到的最好成績，卻是大自然的最差表現。尤其是一些人工堿基，在復制中很容易被天然堿基替換掉。看來，細胞生命雖然也被迫接受了人工的東西，但似乎還得不到它們的真正認可。

現在，科學家也已經意識到，不能把這些人工的東西塞進細胞就算完事了，如何讓細胞接納這些人工堿基才是今后工作的重頭戲。

DNA并不是生命所必需的

不過，我們也要看到，雖然人工DNA目前還存在種種令人不滿意之處，但通過不斷改進，也許有一天會工作得跟天然DNA一樣出色。如果真做到了這一點，也就證明了一點：DNA（特指天然的DNA）并不是生命所必需的。

科學家對此似乎很有信心。比如，為什么天然DNA上只有4種堿基？為什么不是6種或10種？他們說：我們的生命祖先可能由于條件的限制（比如化學原料缺乏等），只簡單地設計出了4種堿基。一旦生命體擁有了足夠使用的堿基，它們就不再需要新的堿基了。我們只能承認這是“歷史的選擇”，但絕不是唯一可能的選擇。大自然以它自己的方式設計了生命，但是肯定還有其他的途徑也能夠達到同樣的目的。

這個觀點對于尋找外星生命是很有啟發意義的。我們現在在外星球尋找的都是微生物之類的原始生命，這些東西肉眼不可見，只能通過儀器來分析。但我們的儀器設計起來是用來發現類似地球上的天然DNA的。萬一外星生命的DNA跟我們不一樣，我們可能就錯過了。

可是，我們憑什么認為它們的DNA跟我們的一樣呢？考慮到我們的DNA是地球歷史環境的產物，那外星生命會使用和我們一樣的堿基嗎？難道類型也只限于4種，而不是2種或6種？我們實在不敢打這樣的包票。在這情況下，我們尋找外星生命就不應該限于尋找天然DNA，還應該再找找其他形式的遺傳分子。

另外，人工DNA的出現，意味我們又多了一種制造自然界不存在的生命的辦法。

在此我們不妨回憶一下：從零開始創造生命，最早是由美國著名遺傳學家克雷格·文特爾于2010年取得突破的。他和他的團隊在實驗室參照一種細菌的天然DNA，利用化學物質，像玩積木一樣一個堿基一個堿基地拼湊出整條相同的DNA。然后把這條人工DNA植入被挖掉細胞核的單細胞生物里，讓它復制、繁衍。這是第一個人造生命。但這個人造DNA，除了是人造的，與天然DNA并沒有本質區別。

但現在，堿基可以人為增加，甚至堿基和DNA長鏈都可以用別的材料替代。這樣的人造生命可以說改造得更為徹底。甚至可以說，我們制造出了地球上前所未有的生命！