科學家可快速合成新冠病毒

南方周末特約撰稿 湯波

瑞士研究人員在實驗室重構出新冠病毒。

★通過反向遺傳學和基于釀酒酵母的病毒人工合成系統，瑞士科學家在實驗室里重構出新冠病毒，這為病毒的分子生物學分析、突變監控、蛋白表達和藥物研究提供了方便，這項工作早在三個月前即已完成。

盡管世界衛生組織、主流科學家一再強調，新冠病毒起源于自然界，但是一直存在一種陰謀論，認為新冠病毒（SARS-CoV-2）是人工合成的，而非自然起源的。當然，人工合成新冠病毒，對于科學家來說其實并不是難事。2020年5月4日，國際著名學術期刊《自然》（Na-ture）在線發表了一項最新研究，歐洲科學家成功在實驗室合成了具有感染能力的新冠病毒，引發關注。

可在一周內合成新冠病毒

據英國《自然》雜志報道，瑞士病毒與免疫學研究所和伯爾尼大學等研究機構的研究人員建立了基于釀酒酵母的病毒人工合成系統，除了可在實驗室人工合成小鼠肝炎病毒、中東呼吸綜合征病毒等冠狀病毒之外，也可在一周內合成具有感染能力的新冠病毒，便于開展疫苗研發和病毒突變檢測等研究。

這一系統基本思路在于，根據已知的病毒基因組序列，人工合成若干個短的DNA片段（一般含有幾百個堿基到幾千個堿基），這些短的DNA片段兩端含有可相互配對的接頭序列，當將這些DNA短片段混合在一起時，它們可自行尋找配對的接頭并連接成較長的基因組片段，甚至是全長基因組。而將這些體外人工合成的病毒DNA片段轉入釀酒酵母內，釀酒酵母可將這些片段組裝成完整的病毒基因組DNA，以利用酵母的DNA復制系統大量擴增原本極微量的病毒基因組DNA，用于疫苗研發等后續研究。如果是DNA病毒，上述方法獲得的病毒基因組DNA可直接用于后續研究，如果是RNA病毒，還需要在體外將人工合成的病毒基因組DNA轉錄成RNA后再用于后續研究。

在此之前，有研究人員利用大腸桿菌等其他載體來擴增病毒基因組，但是由于冠狀病毒屬于RNA病毒，其基因組RNA大小約為3萬個堿基，為RNA病毒中最大，很難在大腸桿菌等細菌內穩定擴增，因此瑞士科學家選擇釀酒酵母作為大規模擴增病毒基因組的生物載體。

瑞士科學家利用這一思路，先在小鼠肝炎病毒上進行了嘗試。小鼠肝炎病毒也屬于冠狀病毒，主要感染小鼠等嚙齒動物的消化系統。研究人員在體外合成小鼠肝炎病毒基因組DNA片段之后，將其轉入釀酒酵母內進行病毒基因組組裝和擴增，獲得病毒基因組DNA后再在體外轉錄成病毒RNA，所獲的小鼠肝炎病毒RNA可在倉鼠細胞內進行擴增和繁殖，并感染新的倉鼠細胞。利用同樣的方法，研究人員也成功地在體外人工合成了中東呼吸綜合征冠狀病毒，以及多種人類冠狀病毒和其他病毒，包括寨卡病毒和人呼吸道合胞體病毒等，這些人工合成病毒均具有感染人體細胞的能力。

作為這項研究的重頭戲，瑞士科學家將目光瞄準了最近在全球持續肆虐的新冠病毒。中國科學家在2020年1月10日公布新冠病毒基因組序列后不久，瑞士科學家就根據這些序列設計了十多條長度在約500個堿基到約3400個堿基的病毒DNA片段，其中大多數DNA片段均采用人工合成的方法合成，只有兩條DNA片段是利用從德國患者身上分離的病毒RNA逆轉錄擴增獲得的。這些DNA片段轉入釀酒酵母內進行組裝和擴增，獲得與天然新冠病毒基因組序列完全一致的重組新冠病毒基因組DNA。接下來，研究人員在體外將病毒基因組DNA轉錄成病毒RNA。倉鼠細胞和猴子細胞感染試驗表明，這樣獲得的病毒基因組RNA具有繁殖后代和感染新細胞的能力。

從病毒DNA片段合成到獲得重組病毒RNA，可在一周內完成，也就是在病毒序列已知的情況下，研究人員可在一周內重建出病毒，這一時間還有望進一步縮短。研究人員還發現，用上述方法獲得的新冠病毒可用于病毒分子生物學分析、突變監控、蛋白表達和藥物評價（如瑞德西韋，Remdesivir）等研究。

其實，早在三個月前，瑞士科學家就已完成了新冠病毒等病毒的人工合成工作，并于2020年2月21日將他們的研究論文提前公布在預印本論文網站bioRxiv上。該論文最近被《自然》雜志接受并正式發表。

體外重建病毒屬于常規研究

當然，人工合成病毒和改造病毒并非新鮮事。為了研究方便，科學家經常需要人工合成病毒，進而對病毒進行改造。

無獨有偶，美國得克薩斯大學的研究人員也在實驗室通過反向遺傳學的方法，人工合成了新冠病毒基因組RNA，并具備感染哺乳動物細胞的能力。與瑞士的上述研究相比，美國科學家采取的技術路線稍有不同，并沒有用到酵母來擴增病毒基因組。根據美國已公布的新冠病毒基因組序列，得克薩斯大學的研究人員設計了7段短的DNA序列，這些短DNA序列兩端同樣含有可互相配對的接頭序列，然后在體外直接拼接成完整的新冠病毒基因組DNA，再通過轉錄方式獲得新冠病毒基因組RNA。隨后，研究人員將重組新冠病毒基因組RNA轉染到哺乳動物細胞內，觀察到該病毒RNA能在細胞中進行復制，也具有感染新細胞的能力。該研究2020年4月13日在線發表在《細胞》（Cell）旗下的《細胞宿主與微生物》雜志上。

美國和瑞士的兩項研究都證明，通過反向遺傳學和合成生物學等技術手段，可在實驗室輕松重構出新冠病毒。不過，相對而言，瑞士科學家采用酵母系統，更便于大規模擴增病毒基因組，可更快速地重構出重組病毒。

除了新冠病毒，最近十多年來，很多科學家都在嘗試重構各種具有感染性的病毒。據美國《科學》（Science）雜志報道，2005年美國疾病預防控制中心領導的一個研究團隊采用反向遺傳學方法，重構了曾造成數千萬人死亡的1918年甲型H1N1流感病毒。該重組病毒可感染哺乳動物細胞，也可在雞胚中繁殖，并能感染小鼠致其死亡。美國疾病預防控制中心的研究人員希望通過1918年甲型H1N1流感病毒的重構，進一步研究該病毒尚未發現的特點、致病機理，并幫助科學家研發更有效的疫苗和抗病毒藥物。

為了研究猿猴免疫缺陷病毒的起源，2007年美國阿拉巴馬大學伯明翰分校的研究人員對猿猴糞便樣品測序，獲得猿猴免疫缺陷病毒的基因組片段，并在體外組裝出具有感染能力的猿猴免疫缺陷病毒。2008年，美國范德堡大學研究人員人工合成出重組蝙蝠SARS類冠狀病毒，具有感染人類細胞和小鼠的能力。2017年，美國克萊格·文特爾研究所的研究人員還利用釀酒酵母重構了一種1型單純皰疹病毒。皰疹病毒是可終身感染人類的常見病毒，其中1型單純皰疹病毒感染容易引發口唇疾病，嚴重時也可引發腦炎，其基因組長約15.2萬個堿基。他們將該病毒的基因組DNA分拆為11個片段，然后一起轉入釀酒酵母內，組裝成完整的病毒基因組，首先人工合成了11個病毒基因組DNA，將病毒基因組DNA導入哺乳動物細胞，發現其具有復制和感染能力。

安全風險引發擔憂

可見，科學家在體外重建感染性病毒并非僅僅滿足好奇心，而是為更好地對付病毒而開辟的一條新研究途徑。

在無法獲得或不方便采集病毒樣品時，科學家可以在體外人工合成病毒來開展一些與病毒相關的重要研究，如病毒特征分析、疫苗和藥物研發等等。另外，病毒特別是RNA病毒的基因突變快，人工合成病毒可在短時間內模擬已發生的基因突變，甚至可以預測尚未發生的基因突變，從而提前開展疫苗和藥物研發。

目前，中國、法國、美國等國家的科學家已經發現新冠病毒發生了一些重要的基因變異，細胞實驗證明其中一些突變可顯著增強新冠病毒的傳染性。一旦發生致命的基因突變，可能導致目前正在研發的各種新冠病毒疫苗前功盡棄，因此采用瑞士科學家研發的病毒體外合成平臺，有望及時監測和預測新冠病毒關鍵基因突變的出現，降低疫苗和藥物研發的失敗概率。

不過，對于大眾來說，天然的病毒就足夠令人害怕，科學家還要去人工合成致命病毒，對其中的安全擔憂是可以理解的。2017年7月，著名的《科學》雜志曾經報道過加拿大埃德蒙頓阿爾伯塔大學的病毒學家大衛·埃文斯利用郵件訂購的病毒基因組DNA片段，并合成了天花病毒的近親——馬痘病毒。由于人們擔心會有人按照這一路線人工合成出天花病毒等致命病毒，這項研究引發廣泛關注和激烈爭論。后來，美國著名病原學期刊《公共科學圖書館——病原體》(PLoS Pathogens)發表了多篇圍繞埃文斯等人研究的辯論文章。主流看法是，病毒人工合成技術作為常規技術有其兩用性，既可用于制造致命病毒，也可用于開展病毒研究為人類造福。正如核能一樣，既可用來制造核武器，也可用于核能發電或提供核動力。

當然，無論是天然病毒還是人工合成病毒，政府部門都必須加強病毒研發的立法和監管，避免實驗室的致命病毒發生泄漏。其實，人工合成的病毒安全性并不比天然病毒更高，只要研究人員嚴格按照法律法規、科研倫理和病毒操作規程行事，即可確保其安全，公眾無須過度擔憂。