讓生命機器轉起來

　　大腸桿菌，又名腸埃希氏菌，屬于變形菌門，于1885年被發現，是一種腸道內的常見細菌，在大部分時間內和人體互惠互利。也有少部分特殊類型的大腸桿菌具有相當的毒性，可能造成嚴重的疫情。前一段時間鬧得沸沸揚揚的德國蔬菜問題就是這少部分壞分子所為。當然，大腸桿菌的主流還是好的。更值得期待的是，在不久的將來，大腸桿菌，這個普通得不能再普通的細菌，有可能大踏步走進人們生活的方方面面。
　　
　　改造從了解開始
　　
　　生命是什么？這是生物學家甚至是所有科學家都感興趣并試圖回答的一個問題。從某種意義上來講，每個生命體都是一個有序運轉的機器，時刻保持著對外界環境變化的響應，通過與外界環境之間的物質和能量交換，維持自身的有序運轉。
　　隨著生命科學的發展，科學家們越來越多地發現，對于生物的理解不能僅僅局限于一個個孤立的基因、孤立的蛋白上面，需要更多了解在不同的生命現象中，各個基因、蛋白之間是如何作用的，各種不同的通路之間如何相互影響。
　　對于生物系統的研究來說，有兩種研究方式。第一種方式被稱為系統生物學，即通過觀察細胞中各種基因在不同環境下、不同時間內表達量的變化，以及各種生物組件之間的相互作用，了解和推測細胞完成生命活動的機制。第二種方式被稱為合成生物學，通過將一系列的生物組件整合到一個細胞中，實現特定的功能或者行為。誠然，第一種方式的研究結果更接近于生物本身的真實情況；但是第二種方式更加激動人心，我們在嘗試的是改造生命，甚至創造生命。
　　
　　上帝不好當
　　
　　在改造生命的過程中，我們面臨的最大問題是人類至今對生物本身的結構和功能尚不完全清楚，也就是說不知道引入的生物組件會對細胞產生怎樣的影響。所以現在人們大部分的工作還是在對了解最清楚、結構最簡單的大腸桿菌進行改造，這樣可以最大程度地預期引入的生物組件對細胞的影響。但人類在技術實現上還存在一個很大的問題，就是限制性內切酶位點的設計。
　　我們知道基因工程的一般過程有如下幾個步驟：第一是將目標基因片段擴增出來，并引入限制性內切酶的酶切位點；第二是將質粒用同樣的限制性內切酶切開；第三是通過黏性末端互補將目標基因接入質粒中，構建成新的質粒；最后將質粒轉染到菌體里，實現對菌體的基因工程改造。
　　通常情況下，質粒上的限制性內切酶的酶切位點都是經過人工設計改造的。設計主要從兩個方面考慮：第一是目標基因片段本身不含有這種酶切位點；第二是識別置于目標基因序列兩端酶切位點的限制性內切酶可以在類似的條件下工作。
　　表面上看這個流程沒有什么問題，但當我們試圖把第二個基因片段引入同一個質粒中時，限制性內切酶酶切位點的設計除了考慮上面兩點之外，還要考慮不能影響第一個基因片段。同樣，引入第三個片段的時候要考慮不能影響第一、二兩個片段。這樣每次引入下一個片段時都要考慮其對以前所引入片段的影響，設計難度是以幾何級數增加的。
　　
　　大腸桿菌帶來了什么
　　
　　為了解決上述難題，美國麻省理工學院（MIT）的科學家們提出了一種新的方法，即所謂的標準化方法。它的基本原理是利用一組同尾酶的特性，實現限制性內切酶的重復使用。也就是說標準化方法的準備工作是通過基因突變將各種基因片段中存在的四個限制性內切酶的位點完全突變掉。這是一個浩大的工程，但同時可以一勞永逸地解決限制性內切酶的技術問題。
　　為了推廣這一想法，麻省理工學院從2005年開始舉辦以合成生物學為核心內容的國際基因遺傳工程機器競賽（簡稱為IGEM）。它吸引了包括劍橋大學、哈佛大學、加州大學伯克利分校等全球名牌大學參賽。每個參賽隊伍，會收到一份標準化好的基因片段，它又被稱為生物磚塊（biobrick）。參賽隊伍的目標是通過現有的磚塊以及他們自己開發的磚塊，設計并實現一系列的生物機器。這些機器可以模擬各種生命行為，也可以實現各種有現實意義的功能，讓生物研究更加貼近于生活。由于目前我們對大腸桿菌了解得最清楚，而且它又是最簡單的生物，所以絕大部分改造都是在大腸桿菌上實現的。于是，我們就看到了各種不同功能的大腸桿菌。
　　2004年，麻省理工學院組織美國5校參加了合成生物學夏令營。其中，美國德克薩斯大學奧斯汀分校報告了他們做的生物底片，此工作也發表在了2005年的《自然》雜志上。我們知道照相機底片的原理，就是將在光下可以發生化學反應的物質涂在底片上，然后在光照的刺激下，通過底片不同區域化學反應程度的不同，將景物記錄下來。同樣的，他們改造了一種對光有反應的大腸桿菌。通過將可以被光激活的信號蛋白和基因調控蛋白組合起來，實現了一個在光刺激下可以調節基因表達的蛋白。如果將這一基因與報告基因（如綠色熒光蛋白等可以直接被人觀察到的蛋白）偶聯起來，就可以實現生物底片。
　　換句話說，當有“百科知識”字樣的光照在一塊白色的涂滿該菌種的平板上，我們就能看到綠色的百科知識字樣在平板上顯示出來。更神奇的是，在光照被移走之后，出現的文字依然會留在平板上。這樣的神奇也成為很多合成生物學研究者原初的動力。
　　下面一個例子也許更貼近生活。
　　2009年，英國劍橋大學代表隊將大腸桿菌帶進了涂料行業，他們通過對一系列各種顏色蛋白的表達，做成了赤橙黃綠青藍紫七色的涂料。雖然其實際應用情況尚不得而知，至少這種涂料極具環保價值。
　　更具環保價值的是2006年愛丁堡大學關于砷污染的工作。水源中的砷污染對人類健康影響很大，一般的化學檢測方法存在的最大問題是檢測的靈敏度不夠。愛丁堡大學通過將一個可以被砷原子激活的調控蛋白與合成尿素的酶偶聯起來，實現了非常靈敏的砷原子檢驗。其工作原理是，當水中的砷原子含量過多時，砷原子會被細菌吸收，激活調控蛋白，從而導致下游尿素合成酶被表達，大量尿素被合成出來，水溶液的PH值由此升高，進而使得水中的PH指示計變色。這就簡單地實現了水中砷原子含量的檢測和報警。
　　不過，僅僅對水中砷含量超標進行報警是不夠的，我們最需要的是把水體中的有害物質—砷去除掉。2009年，荷蘭格羅寧根大學代表隊在愛丁堡大學的研究基礎上，通過加入一個可以促進細胞內氣泡生成的特殊蛋白，實現了這一點。
　　我們知道，魚通過魚鰾來實現在水里的沉浮。這種蛋白也能起到類似作用。該蛋白的大量表達，可以使細菌內部產生大量氣泡，從而使細菌密度下降，漂浮在水面上。當細菌吸收了大量砷原子時，這種“氣泡”蛋白就會大量表達，導致水中細菌密度大幅下降，砷原子由此被細菌帶到了水面上。此時，人們只要除掉水的表層，就可以實現水質的凈化。
　　除了上面提到的這些以外，大賽中還有很多其他有意思的工作，包括大腸桿菌香水、大腸桿菌啤酒、大腸桿菌血液等等。
　　
　　生物化時代的來臨
　　
　　合成生物學作為生物學的一個新興領域正在以突飛猛進的速度發展。2010年5月21日，美國科學家克雷格?文特爾（Craig Venter）通過將完整的基因組植入到細胞中，首次實現了人工生命。這個工作雖然和真正意義上的人工生命，即通過各種材料組合成的生命，還有一段距離，但它卻使人類在探索生命的途中又邁近了一步。同時，在更基礎的水平上，各種人工蛋白也在不斷地被創造出來，2004年，美國科學院院士大衛?貝克（David Baker）研究組成功地實現了酶的人工設計。隨著人們對生命體了解的一步步加深，也許在不遠的將來，我們將告別機器走進生物化的時代。
　　【責任編輯】趙 菲