合成生命

邢鴻飛/編譯

克雷格·文特爾

●生物界的下一次革命將是根據已構建的基因草圖來設計基因組。

在對DNA進行合成、組合、改錯，以及采用新方法移植、培養染色體等一系列工作整整8年之后，2010年我們利用化學合成的染色體，對各種細胞表型進行基因編碼，成功地合成了細胞。

與更改基因相關的一個主要局限性體現在成本上，包括所需費用和時間。例如，杜邦公司的研究小組花費至少10年的時間，而且據報道耗資超過1億美金，完成了對大腸桿菌染色體差不多12次的修改。修改后，大腸桿菌就能把葡萄糖轉化成丙二醇，從而產生“可再生的”纖維。最近喬治·丘奇實驗室研究出了一些修改大腸桿菌密碼子的改良技術，但這些離設計并建構基因組來執行特定的新陳代謝活動還有很長的路要走。

盡管我們團隊已經研發出用于組裝完整的合成的病毒染色體組的工具和技術（我們在不到一個月的時間里建成了完整的110萬堿基對合成基因組），但按照目前寡核苷酸合成成本，我們的支出相當不菲（每堿基對30美分）。欣慰的是，此項工作使得我們快速、準確、低成本的合成DNA，這也激勵了技術更新，以降低相應的成本。在過去23年里，DNA測序的費用已經下降了8個數量級。我們期待DNA合成領域出現更多更引人注目的科技突破。

合成生物學的福音

染色體組設計中最大的障礙并非成本，而是我們自身對于基礎生物學了解的欠缺。一直以來，我們對所謂的模式生物過分強調，導致科學發現僅僅局限在鼠類，其實我們知道鼠類并非研究人類的模式生物；還有大腸桿菌，對于大多數其他病毒來說，它并非合適的模式。基因的多樣性的范圍超乎人類想象。就像人們狹隘地認為非編碼DNA是 “垃圾DNA”一樣，很多人認為在染色體組定序過程中新發現的與已知基因相似性不高的基因，可能沒有什么價值。從人類的腸道到海洋，對于環境的大范圍的全基因組霰彈槍測序法告訴我們，這些未知的基因具有高保守性和高多樣性。我們嘗試著在最簡單的細胞里通過基因淘汰來產生最小的基因組，結果表明對生命至關重要的基因中多達20%屬于未知基因。

這些局限性說明，在不久的將來，基因的改造和新型物種的產生將主要基于經驗。我們正從事DNA和基因組合成自動技術的研究，希望有一天此項技術能夠構建無數的基因組。這種快速合成技術可以解釋被我們稱作的組合基因組合成，如何處理基因測序和基因的順序以產生更多樣化的基因組。利用設計巧妙的篩選，帶有生物屬性的新細胞能夠快速地被挑選出來。

倘若我們在快速合成技術和篩選技術能夠取得成果，這一方法會成為了解生物世界非常神奇的新資源。在科學和技術方面的局限性被克服之后，我相信，基因組的設計和構建將成為工業和生物革命的基礎，將為人類提供食物、化學物質、燃料、凈水、醫藥、疫苗以及其他資源。這些技術將為我們創造自身可持續性系統，用于未來的太空飛行、滿足遠程軍事需求、或者更重要的，為了地球的未來。毫無疑問，合成生物學將會給我們帶來福音。