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科学家向人造生命迈出新的一步

已有 1938 次阅读 2013-3-11 09:39 |系统分类:海外观察| 人造生命, 生命伦理

科学家们向人造生命迈出新的一步

 

科学家们向着创建生命的新的形式——人造生命的目标迈出了重要的一步!本周四研究人员报道,他们通过将一种细菌的基因组的化学成分仔细拼接在一起,已经制造出了该细菌的完整的基因组。

在此之前,科学家们已经合成出了病毒的完整的DNA,而这是第一次合成出细菌的DNA,比合成病毒的DNA要复杂得多。细菌基因组的长度是之前合成的最长的DNA片段的十几倍。

这项壮举是近年来新出现的一门学科——合成生物学的转折点。合成生物学包括设计可以完成某些特别任务(如制造生物燃料)的生物体。合成生物学家们想象着能够在未来的某一天在电脑上设计生物体,只要按一下“打印”键,就可以得到需要的DNA,然后把该DNA移入细胞中,生产出定做的生物体。

“我们用合成的染色体正在做的事情就是未来的设计过程。”克雷格·文特尔(J. Craig Venter,美国基因科学家,在科学界素以“科学怪人”闻名)博士说。他组织了这个制造出了细菌基因组的团队,细菌基因组已成为他公开宣传要创造第一个合成生物体的一部分。这项工作已发表在本周四《科学》杂志在线版上。

但是,公众担心合成生物学也能够被用来制造病原体,或者被一些科学家利用故意生产出可怕的杀人狂生物。使用本周四报道的这种技术,天花病毒的基因组理论上现在已能被合成出来,因为它的基因组大小只有文特尔博士团队制造的基因组的大约三分之一。

不管怎样,在文特尔博士的“设计生命”的愿望实现之前,还要克服许多障碍。文特尔博士的团队合成的基因组并不是从头设计的,而是一个几乎没有改变的拷贝,它是一种极其微小的自然细菌(即生殖器支原体,Mycoplasma genitalium)的遗传序列。

此外,由诺贝尔奖获得者汉密尔顿·史密斯(Hamilton Smith)领导的文特尔博士团队迄今为止还没有完成下一步——也是最大的一步,即将合成的染色体插入到活的微生物中,并让该染色体“启动”,调控生物体的各项机能。

如果上述一步成功了,那么基本上就可以认为创建第一个合成生物体的工作成功了。目前这一步还没有成功,不过正好缓和一下气氛,为一些圈外的科学家接受合成生物体留出了时间。

“无论他们如何赞扬合成DNA的质量,他们都不知道合成的DNA是否有生物活性。”纽约州立大学石溪分校(Stony Brook University)教授爱德华·威默(Eckard Wimmer)说。他在2002年用合成的DNA和公开的基因组序列创建了活的脊髓灰质炎病毒(polio virus)。

哈佛大学医学院的遗传学教授乔治·丘奇(George M. Church)说:“截至目前,他们所做的一切表明,他们可以购买一束DNA并把它们放在一起。”

文特尔博士的团队去年报道,他们成功地完成了一例染色体的移植。但是,现在他们做的是,把一种支原体的天然基因组移入另一种细菌中。

文特尔博士说,每一对供体基因组-受体细胞都会出现各自独特的问题。对此,科学家们认为他们在组装过程中打断了一个关键性的基因的机能,这应是一个可以改正的问题。

“打断基因的功能并不是砰的一声扣篮,今天我们要声明这一点。”文特尔博士告诉记者。不过,他仍然满怀信心地说:“如果在2008年我们还不能解决这个问题,我将感到非常惊讶和失望。”

文特尔博士的团队合成的细菌基因组含有582, 970个碱基对,碱基对是遗传密码的化学单元,遗传密码用字母ACGT表示。先前科学论文报道的合成的最长的DNA(伸展状态)大约是32, 000个碱基,尽管一些基因合成公司宣称他们能合成大约5万个碱基。

将碱基串在一起的机器经常产生很多错误,因此一次将50100个碱基串成一串是不现实的。但是,通过将较短的碱基串拼接在一起,现在一些公司可以将几千个碱基组成的基因连起来——这就是生物技术时代的铸造术。

文特尔博士的团队从这些公司定购了101个这样的序列,每个序列含有50007000个碱基。然后,他们把这些序列连接成较大的片段,进而连接成更大的片段。最后,得到4个大片段,再把这4个大片段移入酵母细胞中,用一种天然的基因修复机制把它们钩在一起。

文特尔博士说,上述过程开始于2002年晚些时候,毫无疑问,它花费了几百万美元。这就导致一些科学家对此提出了疑问,为什么有人想合成一个完整的生物体?使用基因工程的方法,通过对现有的生物进行修改或修饰,科学家们已能够制造出有用的生物体——包括现正在启动的希望生产生物燃料的一些生物体。

向文特尔博士的团队提供了部分DNA片段的公司——DNA 2.0公司的总裁杰里米·米沙尔(Jeremy Minshull)说:“做合成生物体这种事情的直接目的是什么?我也不完全清楚。在某种程度上来说,正是‘我想成为做这件事的第一人’驱动着做一件事情。”

米沙尔先生接着说,生物体是如何工作来设计一个完整基因组的?科学家们对此了解得并不多。“现在我们的合成能力和合成方法超过了对我们想做的事情的了解。”

文特尔博士承认,现在就是这种情形。他拥有一家名为“合成基因组学”(Synthetic Genomics)的公司,这个公司使用遗传工程的方法来生产生物燃料,但是并没有用生殖器支原体。生殖器支原体被选作合成基因组计划的模式生物,是因为它的基因组极其微小,只有通常细菌基因组大小的十分之一。不过,支原体并不适合用于工业生产。

然而,文特尔博士和其他一些科学家也提到,DNA合成仍是沿着电脑芯片的道路进行的。随着合成能力快速上升,合成价格下降很快(现在合成一个碱基只需大约一美元)。他们说,从某种意义上说,相比于从一种生物体到另一种生物体进行基因的剪切和粘贴,科学家们用合成-拼接的方法设计和合成一个生物体将变得越来越迅速和便宜。这就好比有时对一个作家来说,打印一份新的草稿比编辑一份已有的草稿还要容易。

合成基因组能力的增强也将考虑进行更多的科学实验。文特尔博士说,他将能够创建出丢失了几十个基因的生物体,以回答十年前激发这项研究的那个最初的问题:生命存在所必需的基因组最小是多少?

文特尔博士目前还掌管着一个非盈利的研究所——位于马里兰州洛克维尔市(Rockville)的克雷格·文特尔研究所(以他本人的名字命名)。文特尔博士一直是基因组学领域的先驱。在同政府提供资金的人类基因组计划(Human Genome Project)进行的人类基因组测序竞赛中,他是人所共知的新闻人物。他的团队使用的测序方法在当时是很新奇的,但现在已被广泛接受。后来,他的团队测序的基因组证明是他自己的,这使文特尔博士成为世界上第一个发布自己完整的DNA序列的人。

一些活跃人士和组织说,这次文特尔博士走得太远,太快。合成生物学的整个领域都需要制定规章制度,要阻止引入危险生物体,阻止无论是出于邪恶的目的还是无知的错误创造的生物体。

“文特尔博士正在促进合成生物学的发展,却没有任何社会的监督,这是非常令人担心的。”设在加拿大的一个活动家机构——ETC组织的项目经理吉姆·托马斯(Jim Thomas)说。他还表示,文特尔博士目前申请的专利内容非常宽泛,这些专利能使他在合成生物的领域近乎垄断,这同样令人忧虑。

文特尔博士说,自从合成生物体计划启动后,合成生物学领域一直在争论伦理和安全措施问题,他的工作一直被伦理学家们评论。

他说,在合成的新基因组里,只要一个基因发生变化,就可以使合成的生物体不具有传染性(生殖器支原体,在性行为时可以被传播,能引起炎症,尽管它在致病方面的确切作用还不完全清楚)。

文特尔博士的团队还在合成的基因组上增加了一些DNA节段作为“水印”,这就使科学家们可以从天然的基因组中识别出合成的基因组。

    上述做法增加了用微生物作为交流方法的新的可能性。文特尔博士说,水印包含有编码信息。为了译解信息,侦探们将不得不确定水印编码的氨基酸序列。他说:“没想到还有这样一个实际的应用,这真是个有趣的东西。”


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