进化是“造物主”的源泉。经过36亿年的突变和竞争，生物体具有了令人惊叹的功能，但发展空间仍然很大。例如，某些微生物能够分解爆炸性和致癌性的物质TNT，如果让它们在分解TNT时发光，从而显示土壤受污染或地雷的位置，岂不给人类带来更多的方便？苦艾草内含有治疗疟疾的药物青蒿素（artemsinin)，但即便极少量的提取，代价也十分昂贵，如果能用细菌来生产这种药物，使价格变低廉，那将会救治多少生命？虽然癌症研究者想在癌细胞中引入一种易于识别的标识，以可靠记录癌细胞的分裂和位置，但这种标识物显然还不能很好地适应自然环境而生存。
让细胞因特定毒素而发光、制造复杂药物，以及追踪细胞的分裂和年龄，看似简单的基因工程问题，但创造这样的生物装置并不容易。虽然30年来，生物学家不断地将某些基因从一个物种转移到另一物种，但目前生物基因工程技术，仍然处于不成熟的初级阶段。
美国麻省理工学院生物学家Drew Endy指出：“比如我想改造某种植物，让它遇到TNT就变色，可以从改变植物细胞的遗传通路开始。如果幸运的话，一两年后我或许会得到这种‘装置’，因为这是一种相对单一或‘孤立’的系统，然而，这样的基因生物技术面对复杂的多因子系统工程时就显得力不从心，例如，它不能帮助我构建一种生物工程细胞，能在血管内游弋，寻找并吞噬动脉血管内壁的粥样硬化斑；同样，我现在用手调一下显微镜的旋钮，镜头就抬升一点，要实现这样的动作，目前的生物技术更是无能为力。实际上，目前的基因生物实践还处于原始的手工操作阶段。”
最近几年，少数科学家已经开始着手为基因生物工程搭建基础——创立一门称为合成生物学（Synthetic Biology)的新学科，Endy便是其中的一员，随着时代的进步，加入这一行列的科学家正在迅速增多。他们利用可通行的DNA部件，设计并构建可以按预想方式运行的生命体系。并在某些条件下通过改造人工遗传密码，使生命能够执行原本没有的功能。
这个崭新的领域有三大目标：第一，通过构造而不是拆分生命结构，来了解生命。第二，重新整理现有成果并标准化，创造出更精密的新系统，使基因生物工程名副其实。第三，延伸生命和机器两个范畴的边界，直到二者重叠产生出真正程序化的有机生命。目前，对能探测TNT和生产青蒿素的微生物的研究已成功在望。虽然目前人工合成生命还比较原始，但意义无疑是伟大的。我们可以把人工合成生命看做是从现有的“生命1.0版”升级为“生命2.0版”。
让生命体发出光芒
合成生物学的源头，可以追溯到15年前Steven A. Benner和Peter G. Schultz的开创性研究。1989年，Benner带领一个小组在瑞士苏黎世理工学院创造出一种新型DNA，它包括两个人造基因“字幕”。此后他和其他人又创造出几种新的增强型DNA。但尚无人创造出完全由人工制得的DNA所构成而且能够在活细胞中转录成RNA并翻译成蛋白质的新型基因。就在前几年，美国Scripps研究所的Schultz小组构建出一种细胞，它可以产生非自然的氨基酸，并将这些氨基酸连接在一起构成新型的蛋白质，但它包含的是普通DNA[参见48页框文]。
Benner和其他“旧学院派”合成生物学研究者，将人造遗传物质看作是探索生命基本问题的媒介，例如生命如何在地球上产生？在宇宙其他地方以什么形式存在？而事实上，最近有关合成生物学的讨论却还只是技术层面的：即如何设计并建造能在细胞内工作的机器。
2000年，科学界同时报道了两种人工合成的生物机器。受此鼓舞，已经涌现出了更多的类似研究。
大肠杆菌是在生理条件下寄生于人类肠道内的无害的细菌，两种装置的构造方法都是将遴选的DNA序列插入到大肠杆菌。但是，两装置表现出的功能却完全不同。随后，Michael Elowitz和Stanislaus Leibler在普林斯顿大学把三种互相影响的基因集合在一起，使大肠杆菌按预想的那样发光，就像微型圣诞树上闪烁的灯泡一样[参见下页图文]。同时，波士顿大学的James J. Collins、Charles R. Cantor和Timothy S. Gardner制造了一种遗传肘节开关（toggle switch）。它是一个负反馈环（两种互相干涉的基因），可以让肘节在两种稳定状态之间交替，有效地赋予每一个经过基因工程修饰的细菌以初步的数据记忆功能。
对于生物工程学家来说，这些实验既带来了希望，也带来了沮丧。创造肘节开关费了将近一年的时间，而构造能发光的微生物则费了近两年。目前还找不到一种结合二者的方法，来制造可以自我控制开始和停止发光的细菌。
Endy说：“我们希望将来，在搞清楚生命部件的组成、功能和行为之后，可以常规性地将这些部件装配成一个完整的系统。如果将来有人请我制造一个生物机器，等他从1数到3000，然后向左转，就会发现我已经把部件从架子上取下并组装在一起了，同时可以预见这个组装生命会有什么样的功能。”在4年前，拥有这样的部件还只是梦想。但今天它们已经存放在Endy实验台的柜子里了。
用“生命砖”构建生命
Endy拿出一个装有50多瓶透明浆状液体的容器，说：“这些就是基因部件，每个小瓶都盛有特定的DNA复制片段，它们或具有特定的功能，或可以被细胞用来合成有用的蛋白质。最重要的是，每个部件都经过精心设计，并且与其他部件可以很好地相互作用。”在机械水平上，每个“生命砖”（麻省理工学院的研究小组这样称呼这些基因部件）都能独立地制造和存储，然后连接在一起组成规模更大的DNA部件。而在功能水平上，每个部件都可以传递和接收标准的生物化学信号。因此，科学家只需在特定的部位替换不同的部件，就可以改变所装配的生物的行为和功能。
Endy指出：“在其他类工程中，通用部件已习以为常。”但是基因工程才开始用这一概念。它的一个优点是概念的抽象性。正如电学工程在使用电容器是不需要知道其内部构造一样，生物工程研究者也希望在使用遗传肘节开关时不需要知道更多的结构细节，只需要用线路把启动器、抑制器、活化器、感应器及其他基因部件连接在一起使开关工作。例如，Endy盒子中的一个小瓶中盛有一种“生命砖”转换器（也称“否”逻辑运行器）。它接收到的输入信号越强，输出信号就越弱。另一个转换器具有逻辑“和”运行器的功能，只在它接收到的两个输入信号都很强时，才产生一个输出信号。因为这两个部件要使用相互协调的信号，所以为了把它们连接在一起，人们就制造出一种“否和”运行器（NAND）。现实中，只要有足够的NAND运行器就能运行任何二进制逻辑。
除了概念抽象外，标准化部件还有另一个显著优点：在不知道确切的部件制作过程时，也能够设计出一个有功能的遗传系统。2003年初，一个有16名学生的班级在一个月内制订了4套研究设计方案，以期创造出能像萤火虫一样发光的大肠杆菌。学生们并不知道如何制造部件，也没有必要知道。因为Endy雇佣了一个DNA合成公司，来制造学生们所需的58个部件。此后，这些新的“生命砖”被添加到麻省理工学院的标准生物学部件库中。目前互联网在线数据库中已经包括了140种部件，而且这些记录的数量每个月都在增长。
把工程领域的理论应用于遗传学是有效的实验方法，但是如果超出一定范围，这种类推就会无效。这种表现对于一些基因装置是真实存在的：例如今年初，美国哥伦比亚大学的Milan Stojanovic发明了一个实验装置，它含有类似DNA的生物分子，但这些分子却重复地表现出无意义的非正常行为，就如同是tic-tac-toe症状的化学版本（译注：儿童脑部基底核慢性病变综合病症，表现为反复地出现半不自主的动作和语言，如同这三个单词短促的英文发音一般，最常见的有眨眼睛、撅嘴、装鬼脸、耸肩膀、摇头晃脑等短促动作）。合成生物学家主要的兴趣在于如何在活细胞内构造基因装置，以便这个系统可以移动、再生并与真实世界交互作用。至于目前创造的基因装置究竟有何表现、有何实际作用，科学家认为没有必要多加考虑。从单细胞的角度出发，这种合成装置是细胞内部的一个寄生物。宿主细胞提供给它能量和用于合成DNA、转录RNA、以及RNA翻译蛋白质的原材料，以及必备的物质结构基础。
然而，宿主细胞本身也为导入的合成生物装置带来了复杂的问题。生物学家已经为构造大肠杆菌和其他单细胞生物进行了多年的计算机模型设计。普林斯顿大学的Ron Weiss说：“如果你给我遗传系统的DNA序列，我无法告诉你细菌将会利用它做什么。”事实上，Endy说：“我们在2003年初设计的60个部件中的一半还不能被合成，因为这些部件会杀死它们的宿主细胞，失去了宿主细胞提供的能量和物质基础，这些DNA部件将无从复制。对于强行加入到宿主细胞内的人工DNA，我们必须找出一个减轻宿主细胞负担的方法。”（最终60个部件中的58个被成功合成。）
解决宿主细胞自身基因所产生的复杂问题的一种方法是回避：让人工生物装置的DNA自成体系，与细胞原有的染色体DNA隔绝。但空间上的物理隔绝只是解决方法的一部分，因为在细胞内没有直接连接遗传回路的“电线”。生命在一种类似潮湿短路的电线所连接的环境中运行，使许多蛋白质信号在细胞内仿佛是随机地从一个地方飘移到另一个地方。Endy解释说：“如果我有一个可以在细胞内产生蛋白质和DNA的转换器，那么它所产生的蛋白质信号就将可以定向地与细胞内其他任何部位的转换器产生的蛋白质信号发生相互作用。”无论信号是来自人工制造的DNA，还是来自细胞自身的染色体DNA。
一种防止遗传信号交叉的方法是同样的部件只使用一次。weiss已着手构造“金锁（Goldilocks）”遗传线路，这是一种当某种目标化学物存在，并且仅在其浓度不髙不低时可以发光的线路[参见下页图文]。图中不同种类的部件是4个转换器，它们回应的蛋白质信号各不相同。但要用这种构想设计出现实中可通用的部件并把它们重新安排在细胞内，是非常困难的。
Endy正在测试一种对某些系统有更好效果的解决方案。他说：“我们的转换器同weiss的转换器拥有相同的转换部件，只是在细胞内的存在方式不同。现在对我们的转换器而言，输入的不是一个单一的蛋白质信号，而是一种特异的基因转录速率。当每秒产生足够的信使RNA时便会激活转换器。同时转换器制造一种蛋白质，并通过该蛋白质和另外一个基因的相互作用，反过来决定每秒信使RNA的转录速率。这种形式就是：我输入一一每秒的转录事件且作为输出信号，我得到同类型的信号——每秒的转录事件。这种传递形式就像是普通电路中的电流。”更主要的是，这种转换器可以移动并且能够被其他产生“每秒转录事件”的生命砖替换。由于“每秒转录事件”信号的定位是特异的，所以在回路中的不同位置可以使用相同的部件，却不会发生任何干扰。
这一技术将由一套新的遗传系统进行测试，该系统是2003年1月在麻省理工学院进行冬季培训的学生设计的。而今年新的目标是重新设计细胞结构，使这些细胞相互协作形成某种特定的图案——例如在培养皿中形成圆点图案。要实现这点，细胞之间必须相互通讯，这可以由细胞分泌并感知化学信号来实现。
Endy声称：“今年构造人工生物的数量大约是2003年的两倍。”他历时13个月使有关设计构建成一种能发光的大肠杆菌，并把它放入细胞。但在此期间，生命砖数据记录正不断增加，DNA合成的速度也在飞速发展，而且工程学者已经有了更多装配遗传线路的经验。所以Endy希望能在5个月内完成2004年全年的设计任务，做好接受测试的准备。因为只有这样他才能及时地在今年6月举行的第一届合成生物学会议上展示其成果。
因为生物机器在繁殖的同时也在发生突变，这使得脆弱的DNA要在不断变化的细胞里忠实地完成工作十分困难。参加会议的科学家无疑对此深以为憾。
Weiss指出：“复制过程远非完美。我们已经建立起线路连接，但发现5个小时内已有一半在细胞内发生了突变。线路规模越大，突变进行得越快。”来自美国加州理工大学的Weiss和Frances H. Arnold筛选出那些在几轮突变之后，仍然能完成大部分指派任务的细胞，用以改善合成装置的连接性能。但是以后的突变影响还难以预见，总体而言，进化更趋向于破坏人工合成的遗传机器。
Endy说：“我希望能制造出遗传学编码的装置，在接受输入信号时只需简单计数：1，2，3，……到256。它不应比我们现在建造的更复杂，而且它将使你迅速地准确查明某些繁殖失控的癌变细胞。但是，怎样设计一个在机器复制出现错误时仍可以工作的计数器呢？对于这个问题的答案，我们现在还没有任何线索。可能我们不得不进行漫长的摸索，逐步寻找答案——或许应该使计数器的功能对细胞有某些有益的作用。”
也许，生物工程师最好先从简单的生命形式着手，例如病毒。对它进行深入的了解，看看病毒是如何解决这些复杂问题的。而合成生物学对这些课题同样能提供某些帮助，2003年11月，Hamilton O. Smith和J. Craig Venter宣称，他们在两个星期内已经再造了一个名为phiX174的噬菌体（一种能感染并杀死细菌的病毒）。Venter称这种合成病毒含有与常规DNA形式相同的5386个碱基对，并且同样具有活性。
Venter用数年的时间领导了一项工程：鉴定一种生殖道支原体存活所需的最小基因量。他认为：“大染色体的合成显然已经实现。我们现在不知道的是，究竟能否在细胞中插入这种大染色体，并且通过转化细胞的操作系统来排除新的染色体。我们将不得不从最基本的层次来理解生命。为了做成这件事，我们还有一条很长的路要走。”
以逐个改变遗传“字母”的方式再造一个病毒，并不能帮助我们更深入地了解该病毒。但是如果将基因分解成各部分，然后按某种合理的方式巧妙地将它们连接在一起，将会产生什么效果呢？这正是Endy及其同事们正在利用T7噬菌体所做的事情。Endy对外公布说：“我们已经重建了T7噬菌体，不仅重新合成它的DNA，而且重新建造T7噬菌体原有基因与人工合成的基因。”目前科学家正在分离重叠的基因，进行着冗长的编辑过程。这个小组迄今已完成了大约1.15万个碱基对，他们希望到2004年底能够完成剩下的3万个碱基对。
生物新技术与道德
合成生物学家目前已经建立了用于实验研究和示范展示的人工生物遗传系统，一些实验室已经开始从事这些系统的应用研究。瑞士苏黎世理工学院的Martin Fussenegger及其同事的研究领域已经从细菌过渡到哺乳动物。2003年他们在仓鼠细胞内安装了一种有控制功能的基因网状结构，并在这一系统中加入少量不同种类的抗生素，让安装的基因所表达的输出信号在低、中、高不同的范围内变化。以这种方法控制基因表达，能够让基因治疗或药物蛋白质的制造更为简便。
生物机器很可能首先会在复杂的化学领域获得用武之地，例如检测毒药或合成药物，去年，美国杜克大学的Homme W. Hellnga发明了一种方法来重新设计安装于大肠杆菌体内的生物蛋白质感受器，使之能感知TNT或其任何感兴趣的化合物。Venter说他和Hellnga讨论过，将他的金锁回路与Hellnga的感应器相结合，来制造地雷探测器。
Jay Keasling最近在美国劳伦斯-伯克利国家实验室设立了一个合成生物学的部门。他宣称，他的研究小组已经在大肠杆菌体内建立并装配了苦艾草和酵母菌的部分基因网络，这能让细菌制造出青蒿素的化学前体。青蒿素是新型的下一代抗疟疾药物，目前为发展中国家所急需，但价格昂贵。
据Keasling介绍，通过三年来的研究，已经可以增加青蒿素的产量，不过增加得不太多。他指出，如果青蒿素的产量能增加25-50倍，“我们将能够为发展中国家生产和提供青蒿素或基于青蒿素的联合抗疟疾药物，而他们只需支付目前昂贵价格的十分之一。”经过简单改造的生物工程细菌，可能将用于生产一些昂贵化学物质，如香水、调料以及抗癌药物如紫杉醇。
美国伯克利国家实验室的其他科学家正在利用大肠杆菌清除核废物和生化武器。一个研究小组正在改变细菌感知“气味”的能力，使之可以找到并分解剧毒的神经毒剂VX。与此同时，Keasllng还在研究用微生物清除重金属.他说：“我们开始改造大肠杆菌等微生物，使重金属铀和钋能够沉淀在它们的细胞壁上。一旦细胞吞下这些金属，便开始分解它们，因此可以清除水中的重金属污染，
以上这些都是值得奋斗的目标。但一考虑到有这么多人在制造新型细菌，私人实验室在合成新病毒，科学家发表论文来描述如何利用细菌收集钋，很多人都会多少感到不安。是的，有这样感觉的并非只你一人。
1975年，生物学界的领军人物在美国加州的Asilomar开会，号召暂停使用DNA重组技术，并讨论如何管理生物工程技术的使用。自我约束似乎可以起些作用，因为迄今还没有发生过一起由基因工程制造生物引起的重大事故。不过Endy指出：“现在有三件事情与过去不同了。第一，任何人都可以从网上下载炭疽毒素基因的DNA序列，或其他类似毒素基因的数据。第二，任何人都可以向境外公司订购合成的DNA。第三，我们现在更加担心国际间的滥用。”
因此，如果不想放弃新技术本身所带来的好处，社会将如何客观评估一种新技术的危险？Endy指出：“因特网之所以今天如此发达，是因为想要保持它的人比想要破坏它的人更多。”他拿出一张他去年所教班级的照片：“看，这个班的人多么快乐，他们创造精细的有建设性的东西，但反对新病毒和新型生物武器。最终，我们能营造一个建设性使用新技术的社会氛围，来消解生物技术带来的危险。”
不过，他相信举行一个讨论生物技术潜在问题的会议是有意义的，“我认为召开一个类似Asilomar会议的会议，来讨论生物技术的现状和未来是完全恰当的。”今年6月，这个领域的领军人物将再次会聚一堂，讨论他们的最新观点：现在什么可以做，很可能他们还将谈到什么不可以做。
[郭奕情、徐国恒/译 曾少立/校 张志文/审]
请 登录 发表评论
赞(-1)
