互动科普

DNA和蛋白质，对于完整生命至关重要的两种物质

发现DNA，意味着查明了支撑生命的那些分子的活动方式。紧接着在1958年，弗朗西斯·克里克又发现了一切生物都遵从的一条共同原理。

在生物体内起重要作用的物质是蛋白质。我们身体的各个部分，如肌肉和脏器等，都是由蛋白质构成的。除了蛋白质，构建我们的身体还需要其他材料。但是，这些材料也需要各种各样特殊的蛋白质—“酶”的帮助，才能参与到“建筑工程”中去。

克里克发现，所有的蛋白质都是按照同一种方式制造出来的。在合成蛋白质时，必须先将作为设计图的DNA上的信息转移到另一种大分子“RNA”（核糖核酸）上。蛋白质就是按照复制在RNA上的设计图的要求制造出来的。克里克把这种对于一切生物都相同的制造蛋白质的方式称为“中心法则”。像DNA一样，RNA也是记录生物信息的大分子，所不同的是RNA只有一条长链状分子，上面也排列着4种碱基的无数个小分子。

生物在体内制造什么物质和如何制造，全都取决于按照这种中心法则所制造出来的蛋白质。生物在体内制造物质和进行活动所必需的能量，则是通过从外部摄取营养物质，将它们加以分解获得的。

生物“获得进行活动所必需的能量”和“在体内制造物质”，这两个过程合起来统称为“代谢”。薛定谔举出的生物必须具有的两个运行机制之一的“代谢”就是这样实现的。

究竟什么是生命？

在对生物体有了比较深入的了解之后，在科学家中反而产生了如下的疑问：究竟具备了哪些特性就可以说是形成了生命？

专门从事生命研究、曾获得2009年诺贝尔生理学或医学奖的杰克·佐斯塔克教授对生命下过一个定义。他认为，“能够从外部摄取营养物质并把它们转化为能量，而且能够繁殖后代，这就是最简单的生命”。

那么，生命又必须具备哪些“构件”呢？

佐斯塔克教授认为，最简单的生命必须具备“3个要素”。首先，必须要有作为生物的“设计图”的“信息分子”。第二，必须要有能够完成各种各样化学反应的“装置”，即“酶”。有了这些促进特定化学反应的酶，最简单的生命才能够进行自我复制和获得能量。最后，也是非常重要的一个要素，必须要有一张将自己包裹起来，与外部隔离开来的“膜”。如果没有这张膜，信息分子、酶和摄取的营养物质便会流失。

上述关于生命的定义，其实是将薛定谔所说的“代谢”和“自我复制”用分子生物学的语言表述了出来。

第一种生物“人造生命”？

2010年5月，媒体报道了一条十分重要的科学新闻—“具有人造DNA的生命诞生了”。取得这项成果的科学家是多年从事人类DNA测序工作的克雷格·文特尔教授。

这里提到的DNA（脱氧核糖核酸）是指一类由大量原子连接起来形成的链状大分子，是所有地球生物都必须具有的“生物设计图”。一切生物都是按照各自特有的DNA所储存的信息来进行繁殖的。

文特尔的“人造生命”

借助计算机设计DNA。在设计中参考了一种叫做支原体（b）的微生物的DNA结构。使用化学方法先在试管中合成出DNA的片段。将合成的DNA片段植入酵母或大肠杆菌中，借助生物的力量把它们连接起来。取出完成连接的DNA，将它植入支原体的细胞。细胞开始按照人造DNA增殖。

以前，科学家仅能够制造DNA的片段，还从未得到过一种生物特有的完整DNA（基因组）。文特尔教授在2003年首次成功制造出了人造基因组。这一次，他将自己人工制造的DNA植入一种山羊支原体中，后者受到这种人造DNA的控制，按照其信息实现了繁殖。

不过，这种“由计算机制造出来的生命”并不是一种全新的生命。因为这种人造DNA是使用计算机仿照一种叫做支原体的微生物的DNA结构设计出来的，将它植入支原体中，繁殖得到的是一种同该支原体相似的生物。

那么，是否有可能人工制造出与地球上任何一种生物都不相同的全新生物呢？这样一种人造生物真的能够被称为生命吗？

这幅电子显微镜照片显示第一个被植入了人造DNA细胞——“辛西娅”正在增殖的情形。

（本文发表于《科学世界》2011年2期）