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(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。