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    合成生命

    2014-09-07 01:26:36邢鴻飛編譯
    世界科學(xué) 2014年2期
    關(guān)鍵詞:局限性生物學(xué)染色體

    邢鴻飛/編譯

    克雷格·文特爾

    ●生物界的下一次革命將是根據(jù)已構(gòu)建的基因草圖來設(shè)計基因組。

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

    與更改基因相關(guān)的一個主要局限性體現(xiàn)在成本上,包括所需費(fèi)用和時間。例如,杜邦公司的研究小組花費(fèi)至少10年的時間,而且據(jù)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(zhuǎn)化成丙二醇,從而產(chǎn)生“可再生的”纖維。最近喬治·丘奇實(shí)驗(yàn)室研究出了一些修改大腸桿菌密碼子的改良技術(shù),但這些離設(shè)計并建構(gòu)基因組來執(zhí)行特定的新陳代謝活動還有很長的路要走。

    盡管我們團(tuán)隊已經(jīng)研發(fā)出用于組裝完整的合成的病毒染色體組的工具和技術(shù)(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(dāng)不菲(每堿基對30美分)。欣慰的是,此項(xiàng)工作使得我們快速、準(zhǔn)確、低成本的合成DNA,這也激勵了技術(shù)更新,以降低相應(yīng)的成本。在過去23年里,DNA測序的費(fèi)用已經(jīng)下降了8個數(shù)量級。我們期待DNA合成領(lǐng)域出現(xiàn)更多更引人注目的科技突破。

    合成生物學(xué)的福音

    染色體組設(shè)計中最大的障礙并非成本,而是我們自身對于基礎(chǔ)生物學(xué)了解的欠缺。一直以來,我們對所謂的模式生物過分強(qiáng)調(diào),導(dǎo)致科學(xué)發(fā)現(xiàn)僅僅局限在鼠類,其實(shí)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(shù)其他病毒來說,它并非合適的模式?;虻亩鄻有缘姆秶跞祟愊胂蟆>拖袢藗儶M隘地認(rèn)為非編碼DNA是 “垃圾DNA”一樣,很多人認(rèn)為在染色體組定序過程中新發(fā)現(xiàn)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(huán)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(xì)胞里通過基因淘汰來產(chǎn)生最小的基因組,結(jié)果表明對生命至關(guān)重要的基因中多達(dá)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(chǎn)生將主要基于經(jīng)驗(yàn)。我們正從事DNA和基因組合成自動技術(shù)的研究,希望有一天此項(xiàng)技術(shù)能夠構(gòu)建無數(shù)的基因組。這種快速合成技術(shù)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(chǎn)生更多樣化的基因組。利用設(shè)計巧妙的篩選,帶有生物屬性的新細(xì)胞能夠快速地被挑選出來。

    倘若我們在快速合成技術(shù)和篩選技術(shù)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(xué)和技術(shù)方面的局限性被克服之后,我相信,基因組的設(shè)計和構(gòu)建將成為工業(yè)和生物革命的基礎(chǔ),將為人類提供食物、化學(xué)物質(zhì)、燃料、凈水、醫(yī)藥、疫苗以及其他資源。這些技術(shù)將為我們創(chuàng)造自身可持續(xù)性系統(tǒng),用于未來的太空飛行、滿足遠(yuǎn)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(xué)將會給我們帶來福音。

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