人工生命：從低級到高級

王小莜

關于生命，一直有兩種解釋。一種是“如吾所識的生命”，也就是地球上特殊的以水和碳為基礎的生命；另一種是“如其所能的生命”。這種生命是除“如吾所識的生命”之外的其他一切有可能存在的生命形式。有可能存在的生命形式之一就是人工生命（合成生命或人造生命）。

現在，人工生命已經進入了創造真核細胞生命的階段，這是迄今人工生命中的最高級形式。

人工酵母染色體問世

來自中國、澳大利亞、新加坡、英國和美國等國的研究人員組成的研究小組在2014年3月27日的美國《科學》雜志發表文章，宣布他們成功合成了第一條能正常工作的酵母染色體，深圳華大基因研究院、天津大學、清華大學的研究人員負責了部分染色體合成。

這一研究工作歷時7年。研究人員利用計算機模擬出酵母菌16個染色體中最小的一個染色體synⅢ，這是對酵母菌的染色體Ⅲ進行了500多處修改后獲得的版本。另外，研究人員剔除了近4.8萬處DNA重復片段以及垃圾DNA，并在DNA上添加了標簽，以便將天然DNA和合成DNA區分開來。

這一成果被譽為合成生命的新高峰，也是向合成人造微生物等生命體邁出的一大步，其意義“就像第一個人類基因組被測序完成一樣”。而且，現在合成的酵母染色體跨過了人工生命的一個較大的鴻溝，從合成原核生物邁向合成真核生物。在此之前，研究人員只是人工

合成了原核生物，或者說能夠組裝原核生物（如病毒、支原體等）的基因組，卻尚未合成真核生物（如酵母）的基因組。

原核生物是沒有成形的細胞核或線粒體的一類單細胞生物。不過，原核生物仍然擁有細胞的基本構造并含有細胞質、細胞壁、細胞膜以及鞭毛。原核生物包括藍細菌、細菌、古細菌、放線菌、立克次體、螺旋體、支原體和衣原體等。在原核生物中，除了支原體，其余的都有細胞壁。

真核生物是具有細胞核的所有單細胞或多細胞生物的總稱，包括所有動物、植物、真菌和其他具有膜包裹著的復雜亞細胞結構的生物。真核生物與原核生物的重要區別是前者的細胞內含有成形的細胞核，細胞核有核膜，后者沒有成形的細胞核，細胞核沒有核膜。而且許多真核細胞中還含有其他細胞器，如線粒體、葉綠體、高爾基體等。

現在人工合成的酵母菌染色體是用于發面的酵母，其基因組由1200萬個核苷酸組成，它有16個染色體，其中最小的一個染色體是synⅢ，占酵母1200萬個核苷酸的2.5%。在合成synⅢ后，研究人員在活體酵母菌細胞內放入人工合成的synⅢ，并進行測試，結果發現，配備有人工合成的synⅢ染色體版本的酵母菌功能與天然酵母菌的功能沒有差別。這也意味著人工合成真核生物新生命的成功。

人們一直用酵母來制造啤酒、生物燃料及藥物，現在，酵母配備了全套合成的人工染色體后可能不僅具有原來的能力，還有比天然酵母更多的功能，能完成天然酵母無法完成的任務，例如，更快地培育新的酵母合成菌株，以便用于制造稀有藥物和疫苗，如治療瘧疾的青蒿素和治療乙肝的疫苗等。另外，人工合成酵母還能用于生產高效生物燃料，如乙醇、丁醇和生物柴油等。

人工合成的第一個原核生物

人工合成生命最初取得標志性成功的要數對脊髓灰質炎病毒的人工合成。這種病毒是原核生物，其生命形式較為簡單。脊髓灰質炎病毒是導致小兒麻痹癥的元兇，為何研究人員要合成這種對人類有巨大危害的病毒呢？

事情起因于研究人員想要探明為何這種病毒會引發小兒麻痹癥，而且脊髓灰質炎病毒是自然界中一種很簡單的原核生物（生命），但是又會對人造成很大的傷害。只有了解這種簡單的原核生物，才有利于防治小兒麻痹癥和其他類似的疾病。

脊髓灰質炎病毒是由單股RNA（核糖核酸）組成的，其基因組很小，只有7741個堿基。脊髓灰質炎病毒在感染人的細胞后，其RNA首先被翻譯成單個的大蛋白，然后經過酶的作用化整為零，形成一群更小的蛋白以攻擊中樞神經系統。脊髓灰質炎病毒的繁殖方式也極其簡單，它的單股RNA在侵入宿主細胞（人）后會首先轉錄成RNA負鏈，這些負鏈為合成正鏈單股RNA提供了模板。新合成的RNA正鏈又可以發揮信使RNA的功能，促使更多蛋白質合成。

以前，為了研究脊髓灰質炎病毒，有的研究人員從活病毒中提取出RNA再造過一些脊髓灰質炎病毒。但是，2002年，美國紐約州立大學的埃卡特·溫默等人沒有借助任何活細胞而是全部采用合成原料合成了脊髓灰質炎病毒。

由于RNA化學性質不穩定，溫默等人從生物技術公司獲得了脊髓灰質炎病毒RNA鏈遺傳密碼對應的互補DNA小片段，然后在DNA合成公司的協助下將它們連接起來。接著，研究人員再插入19個標記區分自然病毒與合成病毒，然后利用酶將DNA逆轉為RNA，合成了脊髓灰質炎病毒的7500個堿基對。

結果顯示，這個合成的脊髓灰質炎病毒能夠感染和殺死人類細胞，并誘發小鼠罹患脊髓灰質炎。對小鼠進行試驗發現，無論是對小鼠注入合成病毒還是自然病毒，它們都會在感染的一周后癱瘓。但是，合成的脊髓灰質炎病毒在功能和活性上比天然的脊髓灰質炎病毒要低很多，它們的寄生能力和殺死小鼠的效力至少比天然脊髓灰質炎病毒低1000倍。

合成這種病毒的一個最大益處是可以利用

它們來生產脊髓灰質炎疫苗，而且可以讓疫苗的儲存時間延長。當然，這一研究也引發了批評，一些人認為，這為生物恐怖主義打開了一扇大門。

另一個原核生物的合成

2010年5月，美國克萊格·文特爾研究所的研究人員創造了另一個人工生命，取名為辛西婭（Synthia，人造兒）。這個人工生命也是一種原核生物，即一種絲狀支原體。

研究人員先是對支原體的基因組進行解碼并復制，產生人工合成的基因組。然后，把合成的基因組移植入山羊支原體中，通過重啟動程序，由細胞內的人工基因組主導細胞的分裂和增生，最終成為一種新的生命。

從人工脊髓灰質炎病毒到辛西婭，研究人員已經了解和掌握了制造人工生命的一些規律，需要分三步完成：一是對某種最簡單的生命進行基因組的測序，以了解其DNA堿基的排序；二是根據這種自然生命堿基的排序來進行人工堿基排序，組建人工基因組；三是為了證明這種人工排序的基因組（人造染色體）是否能創造生命，需要把它植入某種活細胞，如細菌細胞中，觀察它們能否使細胞正常工作，或者產生出完全根據人工DNA指令生成的活體細胞。

辛西婭的誕生已經證明了人工生命產生的這一流程。2008年，文特爾研究所的漢密爾頓·史密斯等人破譯了人生殖支原體的基因組。它只有一條染色體（細胞核）和517個基因，包含58.297萬個堿基對。

然后研究人員進行第二步，在實驗室將核酸堿基逐個累加，制造出較短的基因片段。這些基因片斷大約由6000個堿基組成。接著研究小組用一種酶把DNA片斷連接起來，使得DNA鏈變得越來越長，直到其長度達到整個基因組的1/4。最后，研究小組將這些1/4基因組長度的DNA鏈插入酵母，后者通過復制和組合，使這些片段成為一個完整的染色體。研究人員對新組建的基因組進行了測序，結果表明，這個基因組與自然的生殖支原體的基因組一模一樣。

但是，有了合成的染色體（DNA）并不意味著人工生命是有功能的，因此第三步是要證明合成的DNA具有功能。2010年，克萊格·文特爾研究所的丹尼爾·吉布森小組選取了另一種支原體——絲狀支原體來合成新生命。他們把支原體的DNA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，最后形成了4個DNA片斷（DNA鏈）。

這些DNA片斷被分別放進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。然后另一組研究人員，即約翰·格拉斯研究小組再將人工支原體的DNA植入山羊支原體中。由于兩種支原體的基因組約有75%是相同的，結果人工合成的基因組指令山羊的支原體不斷復制，產生了更多的新細胞。這證明人工合成的DNA植入活體細胞后可以重新啟動生命的復制程序。

人工生命是否會成為生物武器？

雖然人工生命對于人類有種種用途，但人工生命的另一個問題可能被忽略了，即它是否會給人類社會帶來隱患。例如，被用于制造生物武器或創造怪物和超人。2010年文特爾等人創造出辛西婭時，美國就進行過多個領域和部門的聽證會，這些部門包括國土安全辦公室、科技政策辦公室、國家生物安全科學顧問委員會、能源部、國立衛生研究院等，聽證會要求文特爾等人全面解釋這一新生命的正反兩方面的意義和應用。

當時，對合成新生命提出的問題概括為12個方面：

1.合成基因組與標準的分子生物學、基因工程有何不同？2.為何要構建合成細胞？3.文特爾研究所創建的合成細菌細胞是“從頭創造生命”嗎？4.合成細胞的潛在用途是什么？5.合成細胞在科學及其所產生的技術領域有什么樣的影響？6.與合成生物相關的風險有哪些？7.這些技術的風險能使其潛在的利益黯然失色嗎？8.合成基因組以人為對象做過任何什么工作嗎？9.有

什么準備好的保護、控制措施以防止人工生命偶然地向環境釋放？10.這種工作已經被美國政府或任何其他組織評審檢查過嗎？11.如果有的話，什么樣的法律法規或調控措施應當應用于這種研究領域？12.文特爾研究所下一步將做什么？該研究已經申請專利了嗎？

對這些問題，文特爾和其他專家一一給予了回答。其中，就人工合成新生命的安全問題，美國國家過敏和傳染病研究所所長安東尼·福西表示，合成生物學與很多基因組技術一樣，既能產生有益的生物工程微生物，也有可能創造對人類及環境有害的微生物，即產生通常所說的“雙刃劍”問題。盡管文特爾等人的技術非常復雜和昂貴，但是他們開發出來的技術也有可能被擁有廣泛資源的邪惡者所利用。不過，自然本身就是一名已經存在的專家，它也在創造可對人類造成極大危害的微生物。合成生物學的最近進展并不一定會把人類帶到比現有技術或自然本身更接近傷害的道路。

現在，面對合成生物學或合成生命并不比自然生命有害的觀點，還是有相當多的專業人員表示了擔憂。例如，合成了脊髓灰質炎病毒的溫默認為，存在著不幸誤用的可能性。

今天，當更高級的新生命和越來越多的人工生命合成出來后，不僅是美國，中國和國際科學界都應當對此展開生命倫理和安全性的討論與論證，至少應當就新合成的酵母染色體進行一個聽證會，并且向公眾解釋清楚，管理部門也應當及時建立適當的調控政策。

【責任編輯】張田勘