人造生命單細(xì)胞制造過程示意圖。人民圖片
5月20日，美國私立科研機(jī)構(gòu)克雷格·文特爾研究所的一個(gè)科學(xué)家小組在美國《科學(xué)》雜志上宣告世界上首例人造生命誕生。這個(gè)被命名為“辛西婭”(意為“ 人造兒”)的人造細(xì)胞，是一種由人工合成的基因組所控制的單細(xì)胞生物，是地球上第一個(gè)由人類制造的能夠自我復(fù)制的新物種。
“辛西婭”顛覆了有關(guān)生命屬性的經(jīng)典認(rèn)識(shí)，引發(fā)全世界的廣泛關(guān)注和爭議。人們在問：對人類而言，這項(xiàng)新技術(shù)福耶？禍耶？
中國科學(xué)院院士、著名生物學(xué)家楊煥明在接受本報(bào)記者專訪時(shí)指出，這項(xiàng)新技術(shù)具有里程碑意義，而對于可能造成的風(fēng)險(xiǎn)和生命倫理方面的問題，要正確地加以評(píng)估并科學(xué)地管理控制。
經(jīng)過漫長歲月進(jìn)化而來的生命，其奧秘一直讓人類困惑。現(xiàn)在，隨著世界上首個(gè)“人造生命”的誕生，人們在解密的道路上似乎已“柳暗花明”。
“他”？“她”？“它”？
“這是第一個(gè)人造細(xì)胞”，“地球上第一個(gè)父母是電腦，卻可以進(jìn)行自我復(fù)制的物種”
對于“辛西婭”這個(gè)新物種，許多人至今仍感到迷茫，甚至不知道該稱呼“他”、“她”還是“它”？
楊煥明對此解讀說，以美國生物學(xué)家文特爾教授為首的科研團(tuán)隊(duì)把生物支原體作為研究對象，在分析自然的支原體基因組脫氧核糖核酸(DNA)序列、解讀其基因結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)重新設(shè)計(jì)了盡管相似、但確實(shí)不同的一個(gè)新基因組，這一人工合成的基因組“替換”了自然支原體原先的基因組，“接管”了細(xì)胞的所有活動(dòng)，不但存活并能不斷繁殖。用文特爾的話說，“這是第一個(gè)人造細(xì)胞”，“地球上第一個(gè)父母是電腦，卻可以進(jìn)行自我復(fù)制的物種”。
生命進(jìn)化用了幾十億年時(shí)間，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)和合成則把生命進(jìn)化的時(shí)間大大縮短了。楊煥明指出，這是“生命科學(xué)史上一個(gè)里程碑”，譜寫了現(xiàn)代生物技術(shù)的新篇章。它將在多方面改變醫(yī)學(xué)和整個(gè)生命科學(xué)，對人類社會(huì)產(chǎn)生重大影響。
作為近年來興起的一門新學(xué)科，合成生物學(xué)是建立在基因組學(xué)、生物信息學(xué)、遺傳學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)之上的交叉學(xué)科。它從最基本的生命要素開始研究，目的是建立自然界中不存在的人工生命體系。人造生命只是一小步，但也可能是人類認(rèn)識(shí)生命、認(rèn)識(shí)自身的一大步。
神創(chuàng)論、進(jìn)化論、“被制造”
從合成生物學(xué)的角度來認(rèn)識(shí)，生命的本質(zhì)是序列的、數(shù)據(jù)的，可以用計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)
生命的本質(zhì)是什么？來自哪里？人類對此進(jìn)行了長期探索。但限于當(dāng)時(shí)的科技水平和認(rèn)識(shí)能力，人們無法解釋生命本質(zhì)和起源，因此有了上帝造物，女媧造人之說。
直到19世紀(jì)，英國偉大的科學(xué)家達(dá)爾文創(chuàng)立了生物進(jìn)化論，才改變了人們對生命的觀念，進(jìn)化論逐步開始取代神創(chuàng)論。在此前后，人們發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞和基因，但仍不能真正解釋生命。進(jìn)入20世紀(jì)，遺傳物質(zhì)是DNA的證明，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，大大推動(dòng)了生命科學(xué)的發(fā)展。從20世紀(jì)之末至21世紀(jì)初，“人類基因組計(jì)劃”的完成，人類生老病死的“天書”開始破解，幾十種動(dòng)植物和近千種微生物基因組的測序，多條生物代謝途徑、信號(hào)傳導(dǎo)通路和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的闡明，基因組學(xué)時(shí)代的到來，為人類設(shè)計(jì)、合成生命打下了基礎(chǔ)。
幾乎與此同時(shí)，DNA測序和化學(xué)合成、DNA重組和大片段克隆、轉(zhuǎn)基因和基因組轉(zhuǎn)移等技術(shù)，以及計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，為模塊化、工程化、標(biāo)準(zhǔn)化重新設(shè)計(jì)和合成基因及基因組提供了可能。2003年，斯密斯等合成了一個(gè)噬菌體的基因組。2007年， 羅克斯等合成了非典病毒。但合成的都是很小的基因組，增加或者改變的不超過10個(gè)基因，不能說是能獨(dú)立生存的生命。
文特爾研究所進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，他們要合成的人工基因組長達(dá)100萬多個(gè)核苷酸，大約有1000個(gè)基因。這畢竟是件不容易的事。文特爾談到這項(xiàng)研究的艱辛?xí)r說，他領(lǐng)導(dǎo)的由生物學(xué)家、信息技術(shù)和環(huán)境專家等組成的400人精英團(tuán)隊(duì)用了大約15年的時(shí)間、耗資4000多萬美元才完成了此項(xiàng)工作。在這個(gè)過程中，他們需要開發(fā)新的工具和技術(shù)，建立如何將基因和基因組從一個(gè)物種移植到另一個(gè)物種中去。經(jīng)過多次失敗的嘗試，才合成了目前為止實(shí)驗(yàn)室合成的最大化學(xué)定義的生命結(jié)構(gòu)。
人類扮演了“上帝”的角色，人類開始自己制造生命。“人造生命證實(shí)了我們迄今對生命的認(rèn)識(shí)”，楊煥明院士說，從合成生物學(xué)的角度來認(rèn)識(shí)，生命的本質(zhì)是序列的、數(shù)據(jù)的，可以用計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)。人類第一次把對生命的認(rèn)識(shí)變?yōu)樯摹爸圃臁薄?/p>
小細(xì)菌、新系統(tǒng)、大產(chǎn)業(yè)
重新設(shè)計(jì)、制造新的生物系統(tǒng)，使解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題不再是神話
科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展推動(dòng)人類社會(huì)向前發(fā)展，使人類擺脫落后的生產(chǎn)和生活方式，并創(chuàng)造了巨大的社會(huì)財(cái)富。但與此同時(shí)也產(chǎn)生了一系列問題，如能源危機(jī)、環(huán)境污染、氣候變化和生態(tài)失衡等重大災(zāi)難，這成為制約人類社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的瓶頸。而合成生物學(xué)的突破性進(jìn)展彰顯出應(yīng)答這些挑戰(zhàn)的巨大潛力，為人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展帶來新的選擇和希望。正如英國皇家工程學(xué)院最近在一篇報(bào)告中指出的，“合成生物學(xué)有可能創(chuàng)造另一系列新的大型產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展對于英國、歐洲和世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。”
楊煥明說，既然現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)一個(gè)生命 (細(xì)菌)，盡管它還很原始，還很小，還沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但很快，其他生命，至少單細(xì)胞的生命，都能人工設(shè)計(jì)和制造。通過對現(xiàn)有的、天然存在的生物系統(tǒng)的分析和研究，完全可以進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、制造新的生物系統(tǒng)，使解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題不再是神話。
生產(chǎn)新生物能源。科學(xué)家提出用地球上越來越多的二氧化碳為原料，取代玉米等糧食作物來制造甲烷，其轉(zhuǎn)化器是一種專門的人造生物。美國人利用大腸桿菌生產(chǎn)柴油和汽油，技術(shù)上已獲得成功。文特爾聲稱，這樣的新能源生產(chǎn)方式將完全取代傳統(tǒng)的以石油為中心的化石能源工業(yè)體系。
生產(chǎn)新藥、加速疫苗研制，提高醫(yī)療水平。昔日遺傳工程生產(chǎn)的胰島素等，都是基因的直接產(chǎn)物即蛋白質(zhì)，現(xiàn)在不僅可以設(shè)計(jì)新的生物細(xì)菌來生產(chǎn)這些東西，還可以生產(chǎn)非蛋白質(zhì)的生物有機(jī)物。目前，科學(xué)家利用這一技術(shù)研發(fā)具有廣泛保護(hù)作用、抵抗復(fù)雜多變病毒的疫苗，美國能在24小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)出新的候選疫苗。再比如青蒿素，原來只有中國產(chǎn)的青蒿才能生產(chǎn)它，提取費(fèi)用很高，通過合成生物學(xué)的方法，美國現(xiàn)在用改造的大腸桿菌工業(yè)化生產(chǎn)青蒿素，大大降低了成本。另外，制造特定的工程細(xì)胞，用于治療，傳遞治療藥物，還可以使一些惡性細(xì)胞“改惡從善”。
生產(chǎn)食品。利用合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)蛋白質(zhì)和維生素等。以楊樹為例子，消化其木質(zhì)素非常困難，很難轉(zhuǎn)換成糖和酒精。通過改變楊樹的基因組，把木質(zhì)素轉(zhuǎn)換成纖維素，纖維素變成糖和酒精就容易多了。歐洲現(xiàn)在通過變換楊樹的基因組，可以直接發(fā)酵，制造糖，盡管現(xiàn)在不能食用。
解決環(huán)境問題。“人工細(xì)菌”同樣可以大顯身手，監(jiān)測土壤、工廠、河流、海洋和大氣中的污染，并分解這些污染物，達(dá)到凈化環(huán)境的目的。總之，合成生物學(xué)技術(shù)將在各領(lǐng)域產(chǎn)生新的產(chǎn)品和應(yīng)用。
起點(diǎn)、發(fā)展點(diǎn)、制高點(diǎn)
中國合成生物學(xué)起步較早，但仍需加大投入，追趕國際先進(jìn)水平
合成生物學(xué)正處于加速發(fā)展的階段，并有望成為21世紀(jì)引領(lǐng)生物學(xué)甚至整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的重要學(xué)科。由于它以解決人類社會(huì)中的重大問題為出發(fā)點(diǎn)，具有不可估量的潛在價(jià)值。因此許多國家對其非常看好，并正在投入巨大力量進(jìn)行研發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國已有357個(gè)合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，數(shù)量位居各國之首。此外德國有62 個(gè)合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，日本的類似實(shí)驗(yàn)室有60個(gè)，中國現(xiàn)有8個(gè)。
美國和歐盟一向非常重視合成生物領(lǐng)域的研發(fā)。美國能源部特地分析了人類生存需要的100多種基本的生物有機(jī)物，據(jù)研究都有可能用合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)，最終目標(biāo)是解決能源、環(huán)境和醫(yī)學(xué)等方面問題。為此，過去兩年美國政府資助的合成生物學(xué)項(xiàng)目已近40項(xiàng)。
歐盟于2007年啟動(dòng)了《合成生物學(xué)——新出現(xiàn)的科學(xué)技術(shù)》引導(dǎo)項(xiàng)目共18項(xiàng)，英國生物技術(shù)與生物科學(xué)理事會(huì)在2008年將合成生物學(xué)列為優(yōu)先資助的研究領(lǐng)域，目前已投入近1000萬英鎊的資金。英國明確提出要在該領(lǐng)域保持和提高其國際領(lǐng)先地位。此外，日本、韓國、印度、新加坡等國正在奮起直追，僅從發(fā)表的研究論文數(shù)量看，呈直線增長的態(tài)勢。
中國合成生物學(xué)起步較早，早在上個(gè)世紀(jì)60年代，我國科學(xué)家曾做出人工合成胰島素等舉世聞名的成就。之后，中國通過參加“國際人類基因組計(jì)劃”，縮短了與發(fā)達(dá)國家在這一領(lǐng)域的差距。中國在干細(xì)胞方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，取得了公認(rèn)的成就，這些都為醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)在，中國科學(xué)家已注意合成生物學(xué)的興起并開展了相關(guān)研究，正處于一個(gè)快速的發(fā)展點(diǎn)上。中國科學(xué)家積極開展國際合作，參與了歐盟的第六框架計(jì)劃合成生物學(xué)的研究項(xiàng)目。同時(shí)還在國家自然科學(xué)基金的資助下，開展基因組最小化的研究。此外，中國許多高校都曾派出大學(xué)生代表團(tuán)參加了一個(gè)設(shè)計(jì)生命部件的國際競賽，并多次得獎(jiǎng)。
楊煥明認(rèn)為，中國已顯示出在合成生物學(xué)方面的潛力。正在進(jìn)行的工作，除了與歐盟的合作項(xiàng)目外，多數(shù)還處于前期準(zhǔn)備階段。為此，我國仍需加大投入，整合力量，追趕國際先進(jìn)水平，搶占制高點(diǎn)。
質(zhì)疑者、批評(píng)者、支持者
從技術(shù)層面可設(shè)計(jì)基因開關(guān)；從社會(huì)層面，生物安全和生物防護(hù)需提上日程
人造生命的出現(xiàn)如同“爆炸一顆原子彈”，在國際科學(xué)界和全世界引起強(qiáng)烈震動(dòng)。批評(píng)者和支持者各執(zhí)一詞。美國總統(tǒng)奧巴馬立即表示要對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，美國眾議院能源和商務(wù)委員會(huì)為此還于5月27日舉行了聽證會(huì)。
批評(píng)者認(rèn)為該成果顛覆了倫理觀念，破壞了有關(guān)生命屬性的基本信念。還有人說，這項(xiàng)技術(shù)打開了“潘多拉盒子”，會(huì)造出人類無法控制的新物種，給人類帶來危害。
文特爾回應(yīng)了社會(huì)輿論的質(zhì)疑和關(guān)切。他說，設(shè)計(jì)的人造細(xì)胞非常脆弱，離開了實(shí)驗(yàn)室無法存活。他的團(tuán)隊(duì)研究的目的是將這些新技術(shù)商業(yè)化。他還承認(rèn)不能憑空創(chuàng)造生命，是“時(shí)間父親”和“自然母親”提供大量的幫助，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和定義了真正的細(xì)胞，才使這個(gè)人工合成結(jié)構(gòu)有了生命。
楊煥明認(rèn)為，對科技成果，首先要從科學(xué)上肯定其進(jìn)展。如果說有什么問題，就是又一次拉開了發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家之間的差距。據(jù)悉，文特爾對構(gòu)建的人造生命技術(shù)已提出了專利申請。
楊煥明指出，引用人造生命創(chuàng)造者的解說，是為增進(jìn)對這個(gè)問題的理解。在發(fā)展中國家對這一技術(shù)不理解的情況下，泛泛討論一項(xiàng)新技術(shù)帶來的危害，會(huì)產(chǎn)生不必要的恐懼，這非常有害，客觀上將延緩科學(xué)的發(fā)展。
楊煥明還以核技術(shù)為例作進(jìn)一步說明，他說，世界上有很多核武器，人們曾擔(dān)心毀滅世界，但這種情況并沒有發(fā)生，因?yàn)橛袊H防范機(jī)制加以管理和控制。對于生物合成技術(shù)，應(yīng)看到其發(fā)展會(huì)造福人類，對其造成的風(fēng)險(xiǎn)和生命倫理方面的問題，應(yīng)正確地加以評(píng)估并科學(xué)地管理控制。從技術(shù)層面來說，科學(xué)家對此已有預(yù)見和防范手段，對造出的新物種，里面可設(shè)計(jì)基因開關(guān)，控制其壞的方面。一些工程細(xì)菌，到一定的時(shí)候，讓其自然滅亡，而不對人類社會(huì)和環(huán)境造成危害。從社會(huì)層面來說，生物安全和生物防護(hù)提上日程，首先有關(guān)部門加強(qiáng)管理，包括法律上的管理；其次是科學(xué)家的責(zé)任，防止對這一技術(shù)的誤用；其三，公眾對科學(xué)信息全面真實(shí)的了解，防止不必要的恐慌。
本報(bào)記者 吳迎春
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