人造生命的技術難題和倫理安全挑戰（上）

■ 李大可

人造生命邁出關鍵一步

2010年5月20日，美國著名分子生物學家克雷格·文特爾領導的科研團隊在《科學》雜志上發表論文，宣稱他們利用人工合成的基因組，創造出世界上第一個人造細胞，取名為“辛西婭”。消息一出，全球媒體紛紛對這個神奇細胞進行大幅報道。這個標志著人類“第二次創世紀”的重要嘗試，更被賦予了“人造生命”的美稱。

“辛西婭”是一種最小、最簡單的單細胞生命——支原體。支原體是一類已知的可以自由生活的最小生物，也是最小的原核細胞。與細菌相比，它們的突出特點是沒有細胞壁。盡管“辛西婭”能否稱得上人造生命仍然眾說紛紜，盡管“辛西婭”的產生仍然沒有脫離遺傳物質從一種生物細胞轉入另一種生物細胞的俗套，但是其誕生卻是人造生命征途上最重要、最關鍵的一步。

“辛西婭”的誕生，固然需要匪夷所思的復雜技術。但是在文特爾的表述下，整個過程卻出人意料的簡單。首先，他們選取了一種蕈狀支原體，對這種支原體的基因組進行測序，以了解其DNA堿基的排序。然后，根據這種自然生命堿基的排序，對一個個堿基進行人工排序，從而組建人造基因組。最后，將這種人造基因組移植到另一種去除了遺傳物質的山羊支原體中。在人造基因組的驅動下，新細胞開始分裂和增生，山羊支原體逐漸被人造基因組控制，最終成為一種自然界原本不存在的“人造細胞”——“辛西婭”。

實驗原理聽起來很簡單，但操作起來卻是非常的艱難。數十名大牌科學家組成的精英團隊，用了近15年的時間、耗資4000多萬美元，經過無數次失敗，才最終完成此項工作。

“辛西婭”的前世今生

回顧文特爾團隊研制人造細胞的歷程，這項工作早在1995年就開始了。2002年，他們破譯了生殖支原體的基因組，這些“小東西”只有一條染色體，僅僅包含517個基因、58.297萬個堿基對。而我們人類，每個細胞里都有23對染色體、30多億對堿基、2萬來個基因。

文特爾和史密斯研究小組在完成生殖支原體基因序列的測定之后，試圖在實驗室中重建這種細菌的基因組。但是，完整地合成生殖支原體的基因組是一項艱難的挑戰，因為它們的DNA長鏈非常容易斷裂。為了解決這個難題，研究者們首先由獲取生殖支原體基因組的原始排序開始，然后在實驗室里將核酸堿基逐個累加，制造出較短的基因片段。這些基因片斷由大約6000個堿基組成，其中的一些片段還包含有“水印”。當然，這里的“水印”，并不是說你把一個細菌正對著光觀察，它身上會顯現出某個特殊的圖案。而是用加密的方式，把一段信息編進了合成的基因組中的某處。然后，用一種酶把DNA片斷連接起來，使得DNA變得越來越長，直到其長度達到整個基因組的1/4。最后，將這些1/4基因組長度的DNA鏈插入酵母。酵母通過復制和組合，使這些片段成為一個完整的染色體。2008年初，研究人員對他們新組建的生殖支原體基因組進行了測序，結果表明，除了“水印”部分外，這個人造的生殖支原體基因組與自然的生殖支原體基因組一模一樣。

當時許多人猜測，這種基因組或許能夠馬上用來激活細胞，制造新的生命體。但是，這種特定的細胞類型，并不是理想的研究對象。其中一個問題就是，生殖支原體的生長速率極端的慢。對于每一項實驗，往往需要一個多月才能得到結果。

此時，由克雷格·文特爾研究所的丹尼爾·吉布森領導的另外一個研究小組開始尋找替代實驗對象。他們最終選取了體積比生殖支原體大、生長速度比生殖支原體快的蕈狀支原體。蕈狀支原體的基因組只有108萬個堿基對。研究人員把它的染色體解碼，然后利用化學方法一點一點地重新排列這種支原體的DNA序列，即對4個堿基對腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶一一排序，最后形成4條DNA鏈。這些DNA鏈被分別放進4個盛有化學液的瓶子，然后把這4瓶DNA液體裝進一盤酵母菌中，依靠酵母把4條DNA鏈聚合起來。然后，由約翰·格拉斯領導的研究小組將人造DNA植入山羊支原體中。

科學家的最終目標是，在二種細胞的雜交體分裂時，一種基因組（山羊支原體的天然DNA）應當在子細胞中死亡，而另一種的基因組（蕈狀支原體的合成DNA）應留下來，這才能檢驗合成的DNA是否具有復制和產生新生命的功能。他們采用的方法是用抗生素來殺死前者，而保留后者。由于供體蕈狀支原體的基因組中包含了一種耐受特殊抗生素的基因，所以可以用抗生素來實現這一目的。這樣，存活的蕈狀支原體基因組（人工合成基因組）就會指令細胞不斷復制，從而產生出更多的細胞。

相比合成基因這個步驟，讓新基因組取代宿主細胞的原基因組難度更大。這不僅意味著要把新基因組裝入宿主細胞，還要讓細胞自己的基因組消失。山羊支原體屬于“原核細胞”，而酵母則屬于另一種類“真核細胞”。天然情況下，原核細胞有一種自我保護機制，它們給自己的DNA穿上一件衣服。外來的敵人，比如病毒的DNA沒有這件外衣，因此一旦進入原核細胞很快就會被發現，然后被細胞消滅。問題在于，科學家通過酵母組裝的新基因組沒有穿上原核細胞能夠識別的外衣，一旦進入寄主細胞內，就會被降解消滅。所以，科學家在將新合成的DNA分離出來以后，給它們人工穿上衣服，并用遺傳學的方法去除宿主細胞對DNA的識別保護機制，它的原基因組就會被新基因組設法分解消滅掉。

退回10年，以上每一步工作都是異常艱辛。但是進入“后基因組時代”，被譽為“解析生命密碼”的DNA測序變得成本越來越低、速度越來越快。當年耗時數年、耗費數百萬美元的工作，如今也許在幾天內、花費幾千美元就可以解決。另外，基因數據庫內容不斷擴充，DNA合成技術日臻成熟，染色體移植技術開始出現。因此，“辛西婭”的誕生，在業內人士看來并不突然。從理論上講，如果這項研究可以繼續深入下去，就有可能創造出更加復雜的生命體，例如植物或者動物。

作為一名足夠瘋狂的科學家，文特爾還把一堆信息作為“水印”加入了自己合成的基因組。我們知道DNA這本天書只由A、T、C、G4個字母組成。要用這4個字母表達復雜的信息，就需要一定的加密方式。文特爾用的是最簡單的加密方式——氨基酸密碼子。眾所周知的遺傳的中心法則就是，遺傳信息從DNA轉錄成RNA，再從RNA翻譯成蛋白質。蛋白質由20種氨基酸組成，而每一個氨基酸由信使RNA上的3個堿基唯一確定，那3個堿基即為密碼子。在全部4條“水印”中，第一條據稱是對編碼系統的解釋說明；第2條“水印”是一條可讓破解出的人訪問的網址；接下來的“水印”包括了46名研究者的名字；最后一條“水印”則是一串英文箴言。在DNA里加“水印”有二個目的：其一，作為證明，告訴他人這基因組確實是人工合成的；其二，防止盜版，以后再出現的新合成生物拿來測序看看有沒有這段“水印”，就知道自己的知識產權是否受到了侵犯。（待續）