合成生命的構筑技術

江理華

摘要：“合成生命”從來都不只是口號。本文通過文獻調研“人造細胞”的研究現狀，淺議“合成生命”所需智能材料的構筑及可行的實現方法。

關鍵詞：合成生命;超大分子;人造細胞;自發組裝;分子機器

化學這門學科真奇妙。無機化學揭示了構成物質的元素，以及元素的周期律。有機化學則研究碳原子的構筑，即“如何形成碳-碳鍵”。傳統化學發展到如今，無機化學從人工晶體到納米材料，有機化學從合成藥物到合成生命，研究的內容產生了巨大的跨越。化學已經逐漸成為研究其他自然學科的必要手段。

合成生命從來都不只是口號。一方面，化學作為理學的基礎學科，成為支持其他學科發展的主要力量。另一方面，純粹化學學科的發展也要其它學科的支持。同時，化學的發展僅僅是理論的發展肯定是不夠的，更多的是需要在實驗室出成績。

一、對合成生命的認識和研究實驗

“合成生命”的條件是：其一，要對維持生命所需最低限度的基因和蛋白質有進一步了解;其二，應擁有能合成大片段DNA并將其組裝合成基因組的技術。

美國科學家2010年宣布設計并制造出了“生命”的最小單位：人造合成細胞。首例完全由人造基因控制的單細胞細菌誕生。其基因組是迄今已知最小的基因組，僅包含維持生命必需的基因，被認為是生命科學領域的突破性進展。

其后，中國科學家又讓“人造生命”獲得重大突破。在國際上首次人工創建了單條染色體的真核細胞。該項目的研究團隊將單細胞真核生物，即釀酒酵母天然的16條染色體人工創建為具有完整功能的單條染色體。

生命的誕生有幾種假說，日本神奈川大學菅原正研究室，以化學進化論假設為基礎，先制作了單獨的膜，然后復制可傳達信息的兩個系統，并試圖將簡單的分子結合在一起形成信息、境界、催化劑相關聯的人工細胞。

生命是“超大分子”，一方面，生物大分子通過多級、可控的自組裝，構成了生命活動的基礎。另一方面，對生命基本過程的探索也促進了自組裝的發展。合成生物學家一直對人造細胞有很大的夢想，與簡單的合成結構相比，已經在體內能夠運輸某些藥物的脂質體，人造細胞可能對環境更敏感，并能執行更多種類的工作。

二、合成生命的技術

要合成生命，關鍵的是探索構筑人造細胞的各種實現或實驗技術。通過文獻調研如下：

清華大學劉冬生教授的研究團隊提出了框架誘導自組裝技術。通過模擬細胞結構制備囊泡，由磷脂組裝雙層膜界定形狀。因生理條件下不會發生融合或者再分散的現象，這是細胞骨架通過定位膜蛋白，在誘導磷脂分子組裝的推測。方法是先進行框架制備，聚集形成“超”粒子。然后進行框架誘導組裝，達到尺寸精確可控，形狀可控，實現任意兩親分子在可控條件下組裝的目的。

瑞士聯邦理工學院與劍橋大學的研究小組合作，用不同的DNA鏈給熒光聚苯乙烯小球涂上涂層，讓小球外表變得毛毛的，作為粒子相互作用的手段，也可以用于標記不同的粒子，還能利用DNA序列的適配性，給粒子間的相互作用編程。也就是利用DNA涂層膠體，控制兩種不同膠體微粒的自組裝進程。

東京工業大學的瀧上準教授的研究團隊，利用細胞的膜小胞，對物質的吸收或排斥的機理構筑的控制理論開發了微型人造細胞反應堆。能使微小水滴融合或分裂，達到精準控制的目的。這種微型人造細胞反應堆，被期待用于人造細胞和分子機器人的制造。

另外，人造細胞并不意味著只有從單獨分子來制作細胞，探索的途徑應更加寬廣。例如：獲得諾貝爾生理學或醫學獎的京都大學iPS[1]細胞研究所所長山中伸彌，利用來自患者本人的iPS細胞，在實驗條件下再現病情并測試各種藥物的療效，可大大節約新藥研究時間和經費。iPS細胞是利用皮膚細胞等體細胞，經誘導因子處理后轉化而成的細胞，其功能和胚胎干細胞類似，能分化成各種組織和器官。

三、如何創新？

在人類的創新中，“仿生”是啟發思維的有效方法。仿生學是一門既古老又年輕的學科。例如，按照魚的體型研究潛水艇，根據蛙眼的視覺原理，研制電子蛙眼等等。雖然地球上所有的生命都是億萬年進化的產物，是通過自然選擇雕琢出來的杰作，但是，人類要將生命系統轉變為一個具有無限潛力的工具，就得依靠各種有適配性的仿生合成技術和合成生物技術來實現。因此，創新可以來自仿生。

病毒是目前已知的結構最簡單的“活”的生命單位。有些病毒浸染的對象是特定的微生物或植物。利用對人體無害的噬菌體病毒，由于具有合適的納米級尺寸、明確的結構、可進行基因工程操作、能夠實現自我復制，自組裝等特性，可以作為模板制造所需的分子或材料。因此，甚至病毒也可以作為人類研究新材料的工具。

“創新”需要分子數量級的有控的制備。從目前的文獻中獲悉，分子機器人是值得期待的技術。因為，分子機器人可以模仿大腦的工作原理，大腦神經細胞有著樹狀一樣的放射狀神經分枝，每一個分枝都習慣于和其他大腦神經細胞溝通并傳輸指令，使得大腦的功能十分強大。所以，利用大腦分子機器人可增加對人造細胞的可控性。

另外，計算機技術的發展，也為合成生命技術提供了有利的工具。使用電腦程序設計和編寫遺傳信息，然后通過化學合成的方式將這些遺傳信息合成出來，可以優化實驗途徑。發現每一種新的材料是非常艱難的過程，通常要經歷無數次失敗，還要費勁功夫反向檢測這種新材料的性質。使用計算機模型和機器學習算法生成海量假想的材料，建立數據庫，從中篩選出值得合成的材料，再通過檢索這些材料可能擁有的性質進行具體應用測試應該是一種有效方法。

四、進一步的實驗和探索

其一，單純的分子組合，能夠制造出情報、境界、觸媒相關的人工細胞，但是還要進一步研究引起生命的達爾文型進化型因素，也就是細胞多次分裂等。為了解決這些課題，今后的實驗將試著將DNA復制的材料封閉在內部的磷脂質進行融合。經過對周圍的PH增強酸性，改變環境下功夫的結果，有效率地實現有正電荷的分子與有負電荷的磷脂質分子的融合。

其二，在以往的實驗中，仔細觀察一系列周期，發現有四個相，即貝西克爾DNA增幅、成熟期、膜肥大分裂、材料采集等。這些觀察與考慮生命的起源，所發生的推測非常有趣地對應著。例如：溫度的升降，模仿作為生命起源的場所被關注的熱水噴出孔的海水對流的溫度變化;pH變化，與大氣中的二氧化碳和二氧化硫等經常被暴露的原始的海的環境重疊;等等，需要進一步實驗和驗證。

其三，目標是制造出能夠反復自行生產的人工細胞。但是，在實現可進化的人工細胞之前，還有很多課題需要實驗驗證。例如，有隨著信息分子的變化，伴隨催化分子量降低的膜生產能被降低的防止;根據不同環境，有自我保持能力的獲得等。

結論：

合成生命需要多級、可控的自組裝功能。在模擬細胞的結構或細胞基因的構筑過程中，應該創新出有適配性的合理的人造細胞的“構筑模式”。引用智能材料，“大腦”分子機器，以及計算機程序的學習算法，篩選出能夠保持活性的生物替代技術，以達到尺寸可控、形狀可控、分子可控的自組裝。今后的實驗方向是模擬具有進化能力，或者自我生產能力的人造細胞。

注釋

[1]iPS：人造多功能干細胞（induced pluripotent stem cell）

參考文獻

[1]題目：《DNA智能材料與納米器件》;作者：劉冬生;期刊：《第十二屆固態化學與無機合成學術會議論文摘要集》2012年

[2]題目：《分子が関わる人工細胞から生命を考える》;作者：栗原顕輔;期刊：《季刊生命誌》2016年88期

（作者單位：清華大學）