合成生命的構(gòu)筑技術(shù)

江理華

摘要：“合成生命”從來(lái)都不只是口號(hào)。本文通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研“人造細(xì)胞”的研究現(xiàn)狀，淺議“合成生命”所需智能材料的構(gòu)筑及可行的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：合成生命;超大分子;人造細(xì)胞;自發(fā)組裝;分子機(jī)器

化學(xué)這門(mén)學(xué)科真奇妙。無(wú)機(jī)化學(xué)揭示了構(gòu)成物質(zhì)的元素，以及元素的周期律。有機(jī)化學(xué)則研究碳原子的構(gòu)筑，即“如何形成碳-碳鍵”。傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)展到如今，無(wú)機(jī)化學(xué)從人工晶體到納米材料，有機(jī)化學(xué)從合成藥物到合成生命，研究的內(nèi)容產(chǎn)生了巨大的跨越。化學(xué)已經(jīng)逐漸成為研究其他自然學(xué)科的必要手段。

合成生命從來(lái)都不只是口號(hào)。一方面，化學(xué)作為理學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，成為支持其他學(xué)科發(fā)展的主要力量。另一方面，純粹化學(xué)學(xué)科的發(fā)展也要其它學(xué)科的支持。同時(shí)，化學(xué)的發(fā)展僅僅是理論的發(fā)展肯定是不夠的，更多的是需要在實(shí)驗(yàn)室出成績(jī)。

一、對(duì)合成生命的認(rèn)識(shí)和研究實(shí)驗(yàn)

“合成生命”的條件是：其一，要對(duì)維持生命所需最低限度的基因和蛋白質(zhì)有進(jìn)一步了解;其二，應(yīng)擁有能合成大片段DNA并將其組裝合成基因組的技術(shù)。

美國(guó)科學(xué)家2010年宣布設(shè)計(jì)并制造出了“生命”的最小單位：人造合成細(xì)胞。首例完全由人造基因控制的單細(xì)胞細(xì)菌誕生。其基因組是迄今已知最小的基因組，僅包含維持生命必需的基因，被認(rèn)為是生命科學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。

其后，中國(guó)科學(xué)家又讓“人造生命”獲得重大突破。在國(guó)際上首次人工創(chuàng)建了單條染色體的真核細(xì)胞。該項(xiàng)目的研究團(tuán)隊(duì)將單細(xì)胞真核生物，即釀酒酵母天然的16條染色體人工創(chuàng)建為具有完整功能的單條染色體。

生命的誕生有幾種假說(shuō)，日本神奈川大學(xué)菅原正研究室，以化學(xué)進(jìn)化論假設(shè)為基礎(chǔ)，先制作了單獨(dú)的膜，然后復(fù)制可傳達(dá)信息的兩個(gè)系統(tǒng)，并試圖將簡(jiǎn)單的分子結(jié)合在一起形成信息、境界、催化劑相關(guān)聯(lián)的人工細(xì)胞。

生命是“超大分子”，一方面，生物大分子通過(guò)多級(jí)、可控的自組裝，構(gòu)成了生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。另一方面，對(duì)生命基本過(guò)程的探索也促進(jìn)了自組裝的發(fā)展。合成生物學(xué)家一直對(duì)人造細(xì)胞有很大的夢(mèng)想，與簡(jiǎn)單的合成結(jié)構(gòu)相比，已經(jīng)在體內(nèi)能夠運(yùn)輸某些藥物的脂質(zhì)體，人造細(xì)胞可能對(duì)環(huán)境更敏感，并能執(zhí)行更多種類的工作。

二、合成生命的技術(shù)

要合成生命，關(guān)鍵的是探索構(gòu)筑人造細(xì)胞的各種實(shí)現(xiàn)或?qū)嶒?yàn)技術(shù)。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研如下：

清華大學(xué)劉冬生教授的研究團(tuán)隊(duì)提出了框架誘導(dǎo)自組裝技術(shù)。通過(guò)模擬細(xì)胞結(jié)構(gòu)制備囊泡，由磷脂組裝雙層膜界定形狀。因生理?xiàng)l件下不會(huì)發(fā)生融合或者再分散的現(xiàn)象，這是細(xì)胞骨架通過(guò)定位膜蛋白，在誘導(dǎo)磷脂分子組裝的推測(cè)。方法是先進(jìn)行框架制備，聚集形成“超”粒子。然后進(jìn)行框架誘導(dǎo)組裝，達(dá)到尺寸精確可控，形狀可控，實(shí)現(xiàn)任意兩親分子在可控條件下組裝的目的。

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院與劍橋大學(xué)的研究小組合作，用不同的DNA鏈給熒光聚苯乙烯小球涂上涂層，讓小球外表變得毛毛的，作為粒子相互作用的手段，也可以用于標(biāo)記不同的粒子，還能利用DNA序列的適配性，給粒子間的相互作用編程。也就是利用DNA涂層膠體，控制兩種不同膠體微粒的自組裝進(jìn)程。

東京工業(yè)大學(xué)的瀧上準(zhǔn)教授的研究團(tuán)隊(duì)，利用細(xì)胞的膜小胞，對(duì)物質(zhì)的吸收或排斥的機(jī)理構(gòu)筑的控制理論開(kāi)發(fā)了微型人造細(xì)胞反應(yīng)堆。能使微小水滴融合或分裂，達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的。這種微型人造細(xì)胞反應(yīng)堆，被期待用于人造細(xì)胞和分子機(jī)器人的制造。

另外，人造細(xì)胞并不意味著只有從單獨(dú)分子來(lái)制作細(xì)胞，探索的途徑應(yīng)更加寬廣。例如：獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的京都大學(xué)iPS[1]細(xì)胞研究所所長(zhǎng)山中伸彌，利用來(lái)自患者本人的iPS細(xì)胞，在實(shí)驗(yàn)條件下再現(xiàn)病情并測(cè)試各種藥物的療效，可大大節(jié)約新藥研究時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。iPS細(xì)胞是利用皮膚細(xì)胞等體細(xì)胞，經(jīng)誘導(dǎo)因子處理后轉(zhuǎn)化而成的細(xì)胞，其功能和胚胎干細(xì)胞類似，能分化成各種組織和器官。

三、如何創(chuàng)新？

在人類的創(chuàng)新中，“仿生”是啟發(fā)思維的有效方法。仿生學(xué)是一門(mén)既古老又年輕的學(xué)科。例如，按照魚(yú)的體型研究潛水艇，根據(jù)蛙眼的視覺(jué)原理，研制電子蛙眼等等。雖然地球上所有的生命都是億萬(wàn)年進(jìn)化的產(chǎn)物，是通過(guò)自然選擇雕琢出來(lái)的杰作，但是，人類要將生命系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)具有無(wú)限潛力的工具，就得依靠各種有適配性的仿生合成技術(shù)和合成生物技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，創(chuàng)新可以來(lái)自仿生。

病毒是目前已知的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的“活”的生命單位。有些病毒浸染的對(duì)象是特定的微生物或植物。利用對(duì)人體無(wú)害的噬菌體病毒，由于具有合適的納米級(jí)尺寸、明確的結(jié)構(gòu)、可進(jìn)行基因工程操作、能夠?qū)崿F(xiàn)自我復(fù)制，自組裝等特性，可以作為模板制造所需的分子或材料。因此，甚至病毒也可以作為人類研究新材料的工具。

“創(chuàng)新”需要分子數(shù)量級(jí)的有控的制備。從目前的文獻(xiàn)中獲悉，分子機(jī)器人是值得期待的技術(shù)。因?yàn)椋肿訖C(jī)器人可以模仿大腦的工作原理，大腦神經(jīng)細(xì)胞有著樹(shù)狀一樣的放射狀神經(jīng)分枝，每一個(gè)分枝都習(xí)慣于和其他大腦神經(jīng)細(xì)胞溝通并傳輸指令，使得大腦的功能十分強(qiáng)大。所以，利用大腦分子機(jī)器人可增加對(duì)人造細(xì)胞的可控性。

另外，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，也為合成生命技術(shù)提供了有利的工具。使用電腦程序設(shè)計(jì)和編寫(xiě)遺傳信息，然后通過(guò)化學(xué)合成的方式將這些遺傳信息合成出來(lái)，可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)途徑。發(fā)現(xiàn)每一種新的材料是非常艱難的過(guò)程，通常要經(jīng)歷無(wú)數(shù)次失敗，還要費(fèi)勁功夫反向檢測(cè)這種新材料的性質(zhì)。使用計(jì)算機(jī)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法生成海量假想的材料，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，從中篩選出值得合成的材料，再通過(guò)檢索這些材料可能擁有的性質(zhì)進(jìn)行具體應(yīng)用測(cè)試應(yīng)該是一種有效方法。

四、進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和探索

其一，單純的分子組合，能夠制造出情報(bào)、境界、觸媒相關(guān)的人工細(xì)胞，但是還要進(jìn)一步研究引起生命的達(dá)爾文型進(jìn)化型因素，也就是細(xì)胞多次分裂等。為了解決這些課題，今后的實(shí)驗(yàn)將試著將DNA復(fù)制的材料封閉在內(nèi)部的磷脂質(zhì)進(jìn)行融合。經(jīng)過(guò)對(duì)周?chē)腜H增強(qiáng)酸性，改變環(huán)境下功夫的結(jié)果，有效率地實(shí)現(xiàn)有正電荷的分子與有負(fù)電荷的磷脂質(zhì)分子的融合。

其二，在以往的實(shí)驗(yàn)中，仔細(xì)觀察一系列周期，發(fā)現(xiàn)有四個(gè)相，即貝西克爾DNA增幅、成熟期、膜肥大分裂、材料采集等。這些觀察與考慮生命的起源，所發(fā)生的推測(cè)非常有趣地對(duì)應(yīng)著。例如：溫度的升降，模仿作為生命起源的場(chǎng)所被關(guān)注的熱水噴出孔的海水對(duì)流的溫度變化;pH變化，與大氣中的二氧化碳和二氧化硫等經(jīng)常被暴露的原始的海的環(huán)境重疊;等等，需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。

其三，目標(biāo)是制造出能夠反復(fù)自行生產(chǎn)的人工細(xì)胞。但是，在實(shí)現(xiàn)可進(jìn)化的人工細(xì)胞之前，還有很多課題需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。例如，有隨著信息分子的變化，伴隨催化分子量降低的膜生產(chǎn)能被降低的防止;根據(jù)不同環(huán)境，有自我保持能力的獲得等。

結(jié)論：

合成生命需要多級(jí)、可控的自組裝功能。在模擬細(xì)胞的結(jié)構(gòu)或細(xì)胞基因的構(gòu)筑過(guò)程中，應(yīng)該創(chuàng)新出有適配性的合理的人造細(xì)胞的“構(gòu)筑模式”。引用智能材料，“大腦”分子機(jī)器，以及計(jì)算機(jī)程序的學(xué)習(xí)算法，篩選出能夠保持活性的生物替代技術(shù)，以達(dá)到尺寸可控、形狀可控、分子可控的自組裝。今后的實(shí)驗(yàn)方向是模擬具有進(jìn)化能力，或者自我生產(chǎn)能力的人造細(xì)胞。

注釋

[1]iPS：人造多功能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cell）

參考文獻(xiàn)

[1]題目：《DNA智能材料與納米器件》;作者：劉冬生;期刊：《第十二屆固態(tài)化學(xué)與無(wú)機(jī)合成學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集》2012年

[2]題目：《分子が関わる人工細(xì)胞から生命を考える》;作者：栗原顕輔;期刊：《季刊生命誌》2016年88期

（作者單位：清華大學(xué)）