合成生命：中國從“追趕”到“挑大梁”

“如果我不能創造它，那我就不能理解它。”著名物理學家理查德·費曼曾經如此說道。在生命科學領域，科學家們正試圖通過“創造”來“理解”，乃至“改造”生命。

近日，人工合成生命領域取得重大進展：在美國、中國、英國等多國科研機構參與的“人工合成酵母染色體項目”中，科學家們成功用化學方法合成了酵母的5條染色體，這項研究成果近期以封面文章的形式在國際知名期刊《科學》雜志上發表。

“這是生命科學史上一個重要的里程碑。”中國科學院院士、華大基因理事長楊煥明說，“如果把生物的遺傳信息比喻為一本生命天書，那么人類從一開始學習‘讀’，到現在進入了學習‘寫’，即‘謀篇布局’和‘遣詞造句’的階段。”

從“美國隊長”到合成生命

在科幻電影《美國隊長》中，主角史蒂夫·羅杰斯原本是一名身體瘦弱的新兵，在接受基因改造后變成了“超級士兵”，他的力量、速度、耐力等各項體能都遠超出于常人，成功完成了一項又一項正義的使命。事實上，基因改造已不僅僅是編劇天馬行空的“腦洞”，科學家們正在實驗室里把電影情節變為現實。

2010年，美國科學家克雷格·文特宣布成功合成了支原體染色體，這被稱為“世界上第一例由人類制造并可以自我復制的新物種”，標志著人類正式推開了合成生物學的大門。

相比較支原體這種原核生物，真核生物的生命形態更加復雜，合成也更具難度。因此，挑戰真核生物的基因組合成，就成為全球科學家們瞄準的另一座高峰，而酵母成為最先被選擇攻克的生物。

在這樣的背景下，“人工合成酵母基因組項目”由美國科學家杰夫·伯克在美國約翰霍普金斯大學的實驗室開始做起，并用數年時間合成了酵母16條染色體的第一條。此次研究的參與者、深圳國家基因庫合成與編輯平臺負責人沈玥介紹了人工合成酵母染色體的具體過程。

她說，研究人員使用電腦程序設計和編寫了酵母的遺傳信息，然后通過化學合成的方式將這些遺傳信息合成出來，之后放入酵母中替代掉原來的DNA，并且保證酵母能繼續保持活性。這樣，酵母的所有生命活動都變成了由人工設計合成的DNA控制，而非天然的DNA，成為一種人造生命體。“整個過程就像搭積木一樣”。

研究參與者、清華大學生命科學學院研究員戴俊彪對這項研究成果做了一個生動形象的比喻。他說，生物的細胞就像一個二手房，人們之前掌握了基因組測序技術，這就好比我們可以知道房間的內部結構，而人工合成的實現標志著我們可以改造房間了。

“生命遺傳信息的改變是一個微妙的過程，如果改造不當，動了不該動的地方，那它就不能存活。”戴俊彪說，“此次實現的染色體人工合成，意味著我們可以在保證不讓房間塌掉的情況下，對房間進行裝修改建。”

如果把近些年來大熱的“基因編輯”當做對生命遺傳物質的“小修小改”的話，那么合成生物學則相當于“從頭再來”。基因編輯改動的是房間某個部位，但合成生命相當于重新畫了設計圖紙，不僅可以做細微改造，也可以對整個風格重新設計和重新建造了。

從通路合成到“釀造”青蒿素

此次人工合成酵母染色體的成功，是合成生物學領域的重大突破，受到學術界和產業界廣泛關注。據華大基因研究院院長徐訊介紹，合成生物學是生命科學的前沿研究領域，研究方向主要包括“底盤細胞合成”和“通路合成”兩個重要分支。

科學家人工合成染色體，再將染色體植入到某一特定的細胞，使得該細胞具備人們需要的功能，這一過程被稱為底盤細胞合成。原核生物的合成，以及本次酵母染色體的合成，都屬于這個范疇。

沈玥表示，在底盤細胞合成之外，合成生物學的另一個重要分支是“通路合成”。通過合成生物技術，人類將可以合成具備特定功能的“生物元件”，把這些“元件”再組裝起來，可以構造成具有更加復雜功能的“基因回路”。通路合成的一個重要運用是，通過改造生物以實現諸多產品的綠色制造，即通過微生物合成產品以取代原有的化學提取生產模式，最經典的案例是青蒿素的合成。

2006年，以伯克利加州大學的杰伊·科斯林領銜成功育成青蒿酸合成酵母工程菌為標志，開啟了青蒿素合成生物學的新時代。2013年，美國和加拿大的科學家進一步成功實現將酵母工程菌中青蒿素前體青蒿酸的發酵產量提升十幾倍，并利用單線態氧成功地將青蒿酸轉化成青蒿素。

“青蒿素還是青蒿素，但它的‘生產者’已經不是天然的青蒿草了，而是人們利用酵母‘釀造’出了青蒿素。”徐訊說，“這其中的關鍵就是科學家在酵母染色體中加入了特定的DNA片段。”

人工合成生命領域取得的重大突破，使得生物基因可以“個性化定制”，今后，科學家將可以根據具體的需要，有針對性地設計功能特異性的細胞，這樣的轉變為人類社會解決共同的難題提供了新的思路和方法，將對環境、能源、生物醫藥、先進材料等領域產生深遠影響。

“在環境領域，假設未來海里發生了石油泄漏，我們可以合成專門微生物去降解；在能源領域，我們可以設計植物細胞染色體，提高光合作用的效率，直接把光能轉換成電能；在人類健康方面，我們還可以設計一些細胞、病毒或噬菌體，精確地‘殺死’癌細胞。生命的人工合成為人類社會提供了更多更高效的可能性。”戴俊彪說。

事實上，這樣的嘗試已經開始了。徐訊說，養殖業的污水是農業污染的重要來源，目前要達到國家規定的排放標準，主要依靠投放化學試劑凈化，但這會造成二次污染。科學家們正在嘗試人工合成綠藻的部分基因，經過改造的綠藻可以替代化學試劑的凈水功能，既環保又便宜。

此外，科學家們正在探索人工合成生命的各種應用場景。據沈玥介紹，一些科學家正在改造細菌，讓細菌的運動行使計算機的計算邏輯，提高計算效率；此外，部分科學家正在試圖改造微生物，讓它們感受環境變化，監測砷、汞等有害物質的濃度；同時，DNA存儲也正受到廣泛關注，其存儲效率預計是硅材料的幾萬倍……

從追趕者到“挑大梁”

正是因為合成生物學的巨大潛力，它成為近年來全球生命科學發展的熱點方向。目前國際上各發達國家都已經在合成生物學上發力，尤其以美國為代表。美國哈佛大學、紐約大學等大學和機構的合成生物學研究領跑世界，不少目前在國內從事合成生物學研究的帶頭人就出自美國的知名實驗室。

相比較而言，我國合成生物學的起步比歐美晚了10年左右。2008年，討論前沿科學問題的香山科學會議第一次組織國內專家討論了合成生物學。“十二五”時期，我國在“973”“863”項目上給予該領域研究支持。

總體而言，跟世界先進水平相比，我國在合成生物學領域處于追趕階段，但在一些點上已經取得突破，實現“并跑”。特別是在此次“人工合成酵母染色體”項目中，中國科學家們發揮了“挑大梁”的角色。

戴俊彪說，項目發起之初，他就在伯克的團隊里工作。團隊雖然成功合成了第一條染色體，但前后加起來花了數年時間，如果按照原來方式做下去，合成16條染色體需要數十年時間。2012年，中國團隊的加入，使得這個項目大大加速。

據沈玥介紹，中國科學家在該項目中承擔了大量的工作。此次發表完成的5條染色體中，由華大基因和清華大學各負責1條染色體的重新設計和合成，天津大學負責2條。中國科學家讓團隊力量大大充實的同時，也對原有單條染色體合成的工作思路帶來重大革新。

“這就好像修高架橋，如果說之前對染色體的合成是從一頭開始，每一步都要在前面的基礎上完成，那么我們現在是先把整個架子搭起來，每個部分的工作可以同時進行，這大大提升了效率。”她說。

最后，中國科學家共完成了4條染色體的合成工作，占目前已經合成的6條染色體的三分之二。相比“人類基因組計劃”中中國科學家所承擔的1%，有了長足進步。針對中國團隊的貢獻，伯克評價道：“中國團隊的加入對這個項目是變革性的，因為他們帶來了高通量的平臺和極具創造性的科研團隊。”

從技術發展到倫理討論

徐訊表示，作為目前國際上合成生物學領域最為前沿的項目之一，在參與過程中，中國科學家搭建了自己的技術平臺，掌握了一些關鍵技術，獲得了國際同行的認可。不過從整體上看，缺乏基礎儀器、核心平臺和設施，也是中國在該領域未來發展最大的制約因素。

戴俊彪表示，目前絕大多數科研工作者的工作思路是從中下游突破，即購買進口的設備和試劑做合成。這短期內能有效果，但長遠來看，缺乏上游核心的基因合成芯片、儀器等工具和平臺的支持，后續動力將嚴重不足。

“未來我國在該領域發展的重點應該放在突破核心關鍵技術瓶頸上，重點儀器力爭實現國產化，這方面產業界和科研院所可以進行合作，聯合突破。”戴俊彪說。

對于整個學術界而言，人工合成生命每一步進展都讓人類對生命的本質有了更深刻的理解，給人們認知自然、利用自然帶來了新的工具。在看到它的積極意義的同時，科學家們認為，應該對其有可能帶來的負面影響加以關注，完善監管制度。

實際上，“合成生物”自誕生以來，一直伴隨著巨大的爭議。人們擔憂，人類現在所生存和依賴的生命世界是大自然造化和生物長期進化的結果，而人造生物將會破壞原有的生態系統，帶來巨大的生物安全風險。

這些風險包括合成后的生物體具有設計以外的副作用、將其自身基因轉移到自然有機體內而污染自然基因資源，或者逃逸到大自然中威脅到當地的生物多樣性……

“目前合成生物學發展還僅處于起步階段，還沒離開現有的監管框架范圍。但隨著未來技術的進步，技術突破人類控制，或者落入不法分子之手用于犯罪活動等都有可能發生，對此我們都必須保持高度警惕，與國際同行加強倫理討論，完善監管框架。”戴俊彪說。