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人造生命已成现实 或给人类带来灭顶之灾
发表时间:2016-5-16 10:15:00 来源: 浏览:

   

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人造生命

利用合成生物学,科学家正在改变着世界。科学家正试图将细胞看做是一套积木,因而可以用基因“积木”和蛋白质“积木”将生命重新组合,创造各种新的细胞及其新的功能,比如能够清理原油泄漏污染的细菌、能够生产新型材料的细胞等。

不过也有科学家警告说,合成生物学可能有一天会变成人类的敌人,并给人类带来灭顶之灾。

合成生物学家正在用“生物零部件”和“生物电路”重塑生命⋯⋯

组装生命

□ 方陵生/编译

在波士顿海洋工业园区——拥有40年历史的加州的“硅谷”——的一个实验室里,各种先进实验设备发出轻微的嗡嗡声,年轻的研究人员一排排坐在电脑显示器前,偶尔从波士顿洛根机场传来的飞机轰鸣声也不能让他们驰心旁骛。科学家们正在这里创造着合成生物学上的奇迹,并将从根本上改变我们的生活。

正如斯坦福大学的研究人员是半导体革命背后的智囊,麻省理工学院和哈佛大学的师生们在这个实验室里所做的一切也将引发下一场变革,但他们在这里不是开发计算机芯片,而是将重塑生命本身。

莱西玛·谢蒂就是这幢大楼8层“生物产品工厂”中年轻科学家中的一位,2008年,她和四位同事一起,包括她的博士生导师汤姆·奈特,一起创建了一家组装DNA部件的新创公司——银杏生物工作室(Ginkgo Bioworks)。

银杏生物工作室本质上是一家21世纪的“生命工厂”,研究人员在这里将从头开始创造生命,实验室的试管小瓶里装满了重新设计的生命细胞。“通过对自然生命的研究探索,我们将重新设计和操纵生命。”谢蒂说道。

“银杏生物工作室”的研究人员将根据订单来“制造”客户所需要的生物有机体。需要吸收大气中的二氧化碳? 他们就设计某种细菌来承担这一任务;需要清洁的生物型燃料来代替石油? 他们就研究设计一种可产生新型燃料的微生物。

合成生物学作为基因工程学的一个分支,从诞生到现在只有短短的十多年,但其前景不可限量。合成生物学将以新的手段提供设计和构建细胞的强大能力,实现人类开发新的替代能源,生产对抗疾病的药物,以及在有限的土地上生产更多粮食来养活地球庞大人口的梦想。

合成生物学家创建的生物学版本的“硅谷”,为人类全新的未来奠定了基础。某个研究团队开发了一种更新更复杂的生物组装“积木”,实现生物工程学的大规模生产已指日可待;一些科学家研发的生物模拟电路和程序,就像计算机编程一样,可按照需要将“生物零部件”组装起来;一些研究人员目前[FS:PAGE]正在编写的“生命代码”,可让细胞做我们以前所难以想象的事情,例如追踪捕杀癌细胞等。

“我们要做的不仅仅是设计更完美的DNA片段,”合成生物学领域中极有远见的奈特说道,“我们要像建立半导体基础设施那样,以同样的方式去创建一个合成生物学技术的基础。”

小贴士

人类历史上第一个“人造生命”

2007年10月6日,美国科学家克雷格·文特尔宣布,他的研究小组用化学物质在实验室中合成了由58万个碱基对、381个基因组成的人造染色体,并将其植入细菌生殖支原体的外壳中。在这些基因的控制下,新细菌能摄食、代谢和繁殖,已经具备了生命的三个基本特征,堪称人类历史上第一个“人造生命”。这一研究将使人工合成生命成为可能。

用“生物零部件”来“装配”生命

美国的生物学家克雷格·文特尔决定从无到有合成活的有机体的壮举,将涉及合成生物体的整个基因组。一些商业化生物技术公司可以很容易地合成短链DNA,但要把它们合并成为完整的基因组,则是一个完全不同的概念,因此文特尔的首选目标是一种称为支原体的细菌。支原体是已知生命体中基因组最简单的一种微生物,相对于人类基因组30亿个碱基对,这种细菌只含有58万个碱基对。

文特尔成功地人工合成了一种支原体。他将人工合成的基因组插入一个物种(其本身的DNA被删除),由此产生了一种新的生命——人工合成细菌“辛西娅”。

文特尔的成功可以说是从无到有创造了生命,但许多合成生物学家对此并不像媒体表现得那么兴奋,他们认为,文特尔的团队并没有真正创造出一个新的物种,人工合成的“辛西娅”并没有增加自然界本身不存在的任何新的东西。今天的合成生物学追求的目标是要真正地从头开始创造生命。“按我们的需要和意愿来设计生命,我们已经开始了这样的工作。”哈佛大学医学院和哈佛维斯生物工程启发研究院的生物学家帕米拉·希尔瓦说道。

设计新形式的生命,首先要建立一个生物工程装配线。当然生物工程的装配线不是给沿着流水线移动的汽车装上标准化的火花塞或化油器,而是将全新的生物“零配件”安装到某种细菌载体内。

为此,研究人员首先需要确定细胞内一些主要和重要的部分——生物学版本的轮子、引擎罩、仪表板、发动机等。这样的零部件应当是通用的,比如动力转向泵,既可以安装在福特金牛座车上,也可以安装在福特福克斯车上。零部件还要实现标准化,这样某个工厂生产的零部件也可以安装在其他工厂生产的汽车上。

斯坦福大学合成生物学先驱德鲁·[FS:PAGE]恩迪经常会提到1864年威廉·塞勒斯的故事,在赛勒斯的主张和推动下,美国采取了他的新的设计方案,实现了螺母和螺栓生产的标准化。科学家们如今编制列出的生物学“零部件”大部分为远比单个基因更短的遗传物质片段,这些DNA片断可以用来触发控制某些特定基因活动的开启或关闭。2003年麻省理工学院的生物学家开始正式建立了这样的“生物零部件库”,如今他们的“生物零部件”数量已达2万种之多。

波士顿大学的生物工程师詹姆斯·柯林斯对大部分基因“零部件”的数量和质量显然都不太满意,为了做想要做的事情,柯林斯需要更多的“生物零部件”。大多数合成转录因子是根据大肠杆菌之类的细菌中的“版本”设计的,科林斯的团队希望能从比细菌更复杂的酵母中寻找更多的灵感,来创建设计更高级的“零部件”。柯林斯与麻省理工大学的蒂莫西·卢合作开发了一个产生新转录因子的系统,设计了19种新的转录因子。“我们不再依赖于从自然界中获得少量转录因子,我们现在拥有一个很好的平台,可大量设计新的转录因子。”柯林斯在《细菌》杂志上发表的研究论文中如此说道。

合成生物学知识问答

什么是合成生物学?

合成生物学同时意指:设计和制造不存在于自然界的生物组件和系统;对现有生物系统进行重新设计和装配。

合成生物学家也分为两种类型:一类合成生物学家利用非自然分子模仿天然分子,创造人工生命;另一类合成生物学家将天然生物分子装配成与自然规律不同的系统。

目前,合成生物学已研发成功针对艾滋病毒、肝炎病毒的诊断工具。

为什么要研究和发展合成生物学?

生物学家之所以对合成生物学产生兴趣,是因为它为我们提供了一个全新的角度去思考、分析,并最终揭开生命世界奥秘的方法。设计和构建生物系统是我们理解生命世界的方式之一。

物理学家、化学家和其他领域的一些科学家都将合成生物学看作是探测活细胞内分子行为和活动的一个途径。例如,观察某个合成系统的实际行为表现,可获得相关细胞的生理信息。工程师对合成生物学产生兴趣,是因为生物世界为他们提供了一个控制和处理信息、材料、能源的未知而广阔的天地。

合成生物学会带来潜在危险吗?

许多技术都会带来潜在的危险,合成生物学也不例外。可以想象到的危险包括:意外或无意间释放有害生物或生物系统;有目的设计并释放出有害生物或生物系统;过度依赖于合成生物学的设计和维护工程,而威胁到自然界的生物。针对这类担忧的措施有:研究人员只在经批准的研究设施中进行生物安全1级的生物组件研究;加强教育和培训有责任心的生物工程师和科学家等。

合成生物学研究会引发道德伦理问题吗?

我们是要被动地继承和延续生命,还是与自然世界进行负责任的合理互动呢?如果我们想要与生命世界展开互动,我们是否应该在分子水平上来对这种互动进行描述,并预测其结果呢?我们不能对所有这些问题作出解答,但希望能对这些问题进行深思。

哪些技术将促进合成生物学的发展?

快速和廉价的DNA测序和合成将有利于快速设计、制造和测试生物系统。用于系统设计和模拟的软件工具,以及先进的测量技术(相当于一种生物调试器),也都是更好地观察生物系统状态所必不可少的。

用“生物电路”来连接“生物零部件”

一旦合成生物学家拥有了足够的生物零部件,接下来的问题就是如何将它们连接起来。生物工程师们的灵感来自于电气工程师,电气工程师用电线将晶体管、电阻器和电容器连接起来,通过在半导体芯片上创建一个从这些零部件流过的电路,就可以执行某项任务。生物零部件也可以用类似的方式连接起来。

2000年,《自然》杂志登载了生物学家首次合成基因电路的两篇论文。柯林斯领导的一个团队宣布在细菌中设计了第一个人工“拨动开关”,可通过分子信号驱动或停止基因活动。另一篇论文是普林斯顿大学的科研人员所描述的一种合成定时开关,可通过彼此抑制的三个基因来控制基因活动。

大自然做来毫不费力的事情,人类模仿起来却显得相当笨拙,但有了可完成复杂任务的基因电路,研究人员可以走得更远。他们可以将基因电路与其他基因组件联结起来,就像电气工程师设计计算机芯片一样,来完成更复杂更精细的工作。

与银杏生物工作室隔着一条查尔斯河的生物技术大楼的二楼里,一些生物部件在这里加工成了复杂的机械。这里是麻省理工学院的合成生物学中心,众多的生物工程师们忙碌地进行着新颖而独特的编程工作——只不过他们编程的对象不是以电信号为基础的电路,而是以DNA为基础的生物电路。

克里斯托弗·沃伊特曾经是一名计算机程序员,他之所以转入合成生物学领域,是因为他认为这是极具挑战性的科技前沿。“能够以一种新的语言编写程序,让大肠杆菌来执行某组操作,这是极具挑战性的工作。”他说。

一开始,科学家并不清楚为生命编程的梦想是否能够真正实现。2000年代时,科学家已经可以将一些生物部分连接或重新连接,但并不具备实际的应用可能。如今这种情况正在开始改变。现在研究人员可以开发出更可靠的生物部件,更重要的是,可以用更多更复杂的方式将它们连接起来。“我们终于迎来了一个转折点。”沃伊特说道。

沃伊特和他的同事最近创建了迄今为止最大的合成基因电路,其中的四种“传感器”可探测到特定的环境输入,如:一种可探测到细胞中的氧气水平,另一种可感知葡萄糖水平。综合这些输入信息和其他提示,细胞就可决定是否要采取某个特定行动。

沃伊特和他的同事们希望这种类型的生物电路可应用于工业发酵池,大桶里面的细菌可以多种方式感知周围环境变化,然后调整其活动。一些非常基本的电路已在生物技术领域得到应用。将足够多的电路和程序以适当的方式结合起来,合成生物学有望在不远的将来进行更个人化的设计。就像早期的笨重电脑最终发展到了可放进你口袋里的智能手机,也许有一天,按个性化要求设计细胞将成为我们日常生活的一部分。

罗恩·韦斯读研究生时专攻计算机程序模拟生物胚胎发育变化。有一天他突发奇想,想要以他的计算机知识来对生物学过程进行编程。于是他来到奈特的办公室,要求加入刚刚崭露头角的合成生物学领域。经过一段时间每天花16小时奋发学习DNA基础知识,韦斯将他计算机编程的重点从工程学转到了合成生物学。

现在,韦斯的团队正在设计一种可以追踪和消灭癌细胞的“刺客细胞”。瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家贝奈森制作了一种合成生物电路,可感知检测到癌细胞中的一些化学物质含量。生物电路中含有人工合成的基因,携带着让癌细胞自杀的信息。携带有这种生物电路的细胞会积极寻找癌变细胞,一旦发现,“刺客细胞”就会启动开关,让癌细胞“自动”消失。

2011年,韦斯团队的论文显示,这种“癌细胞杀手电路”在实验室培养皿里的人类细胞实验中已获得成功,但要真正应用于治疗癌症患者,还有很长的路要走。科学家们首先需要找到一种方法将“癌细胞杀手”载入人体。“我们需要一些载体,如某种病毒,它可以进入细胞,然后检查每个细胞,看是否发生癌变。”韦斯说道。他的小组正在利用一种病毒在老鼠身上进行实验,如果成功的话,最终医生就能够将这种“生物电路”注入患者体内帮助治愈癌症。

韦斯还将目光放在了其他几种重要疾病上,如糖尿病病人需要定期注射胰岛素,韦斯认为,注入人体内的基因工程细胞就能做好这件事。他的团队初步从理论上展示了人工合成的基因电路如何将干细胞培育成为可产生胰岛素的细胞;加上人工合成的基因开关,就可根据需要来指挥细胞生产胰岛素。

合成生物学的应用前景

解决饥饿问题

合成生物学研究可以帮助农民养活更多的人。几千年来,人们一直在为提高农业收成而努力。转基因研究提高了农作物产量,增强了农作物对干旱和病虫害的抵抗能力。如今在合成生物学领域,科学家们正在考虑如何对植物内部的光合作用进行调整,以解决全球粮食问题。一种构想是,开发某些新颖的酶,促使植物更多地吸收来自太阳的能量。另一种构想是让植物拥有直接从大气中吸收碳的能力。在2012年4月的《应用和环境微生物学》杂志上,希尔瓦和她的同事在论文中报道说,基因工程细菌可帮助大幅提高农业收成。

生产替代能源

在早期的合成生物学研究中,人们希望生物燃料可帮助人类社会摆脱对于化石燃料的依赖。通过基因工程微生物来生产碳氢化合物,比开采和燃烧煤炭和石油更清洁,更有利于保护环境。自2000年以来,美国能源部已斥资数百万美元进行合成生物学生物燃料研究,如新型的藻类生物柴油或其他基因工程燃料。不过到目前为止,这项研究只取得了有限的进展。

治疗癌症等疾病

合成生物学研究的重要目标之一是让人类更健康。研制基因工程的新药,或能在人体内攻克疾病的基因工程细胞,从一开始就是该领域的目标。早期的成功例子之一是一种生物工程版本的抗疟疾药物,制药公司目前正致力于将这一成果推向市场。另一项对提高人类健康将产生重大影响的合成生物学研究,是利用经过生物工程改造的人类细胞来定位和消除癌细胞。虽然这项技术已在实验室培养皿中证实可行,但离实际应用于治疗癌症病人还有很长的路要走。

清理污染物

微生物已被用于石油泄漏事件的清理工作中,它们吃下石油成分,将其转换为危害较小的副产品。人工合成的基因工程细菌可以更好更快地完成这类污染清理工作。科学家的下一个目标是让人工合成细菌处理一些更顽固更难清除的污染物,如杀虫剂和放射性废物等。西班牙国家生物技术中心研究人员设计的生物电路,可让以糖为食的微生物改变它们的“口味”,改而以工业化学物质作为它们的“美食”。

合成生物学的崛起指日可待

合成生物学的另一项宏伟目标是帮助解决能源危机。最初,科学家提出了令人振奋的理论,将合成基因插入有机体的DNA中,让它分泌出生物柴油或其他石油替代品。包括银杏生物工作室在内的一些公司,目前仍然在为实现这一目标而努力。然而许多这类引人注目的项目,例如藻类生物燃料基因工程,都没有成功。多数情况下,以人工合成技术产生的微生物燃料在经济成本上无法与常规石油产品相竞争。

大多数合成生物学家认为,这只是前进路上不可避免的颠簸。哈佛大学的希尔瓦从当初的以合成生物学方法产生清洁燃烧的氢燃料,改为对植物内部的光合作用重新进行基因工程设计。希尔瓦曾经是一位分子生物学家,2000年代初期转而研究合成生物学。如今她开发的一种人工合成遗传基因设备,可用来跟踪检测细胞受到的辐射量等。

希尔瓦认为,合成生物学加快了一些实际应用的研究进展。尽管可能仍然落后于科学家的期望值,但毫无疑问的是,这一领域发展得很快。研究人员发明了许多比以前更经济、更便捷的装配人工合成生物部件的基因电路等新方法。

麻省理工学院的兰迪·雷特伯格认为,合成生物学的影响,就像互联网一样,需要几十年的时间才能全面显现出来。他说:“合成生物学的发展只有大约10年时间,而计算机网络技术从最初的美国国防部ARPA计算机网到万维网经历了大约25年时间。虽然互联网的诞生和普及花了很长的时间,但它的影响显然远远超过了人们之前所能想象的。”

雷特伯格的老朋友奈特以前也是一位电气工程师。奈特现在大部分时间都在银杏生物工作室,他的名片上简单地写着“DNA黑客”。在实验室自动化机器的呼呼背景声中,在测试新的基因工程生物零部件功能的过程中,奈特不断地酝酿着新的构想。他说,这是一项激动人心的事业。合成生物学将会成为下一个英特尔吗?让我们拭目以待。


许多技术都会带来潜在的危险,合成生物学也不例外。可以想象到的危险包括:意外或无意间释放有害生物或生物系统;有目的设计并释放出有害生物或生物系统;过度依赖于合成生物学的设计和维护工程,而威胁到自然界的生物。针对这类担忧的措施有:研究人员只在经批准的研究设施中进行生物安全1级的生物组件研究;加强教育和培训有责任心的生物工程师和科学家等。

合成生物学研究会引发道德伦理问题吗?

我们是要被动地继承和延续生命,还是与自然世界进行负责任的合理互动呢?如果我们想要与生命世界展开互动,我们是否应该在分子水平上来对这种互动进行描述,并预测其结果呢?我们不能对所有这些问题作出解答,但希望能对这些问题进行深思。

哪些技术将促进合成生物学的发展?

快速和廉价的DNA测序和合成将有利于快速设计、制造和测试生物系统。用于系统设计和模拟的软件工具,以及先进的测量技术(相当于一种生物调试器),也都是更好地观察生物系统状态所必不可少的。

用“生物电路”来连接“生物零部件”

一旦合成生物学家拥有了足够的生物零部件,接下来的问题就是如何将它们连接起来。生物工程师们的灵感来自于电气工程师,电气工程师用电线将晶体管、电阻器和电容器连接起来,通过在半导体芯片上创建一个从这些零部件流过的电路,就可以执行某项任务。生物零部件也可以用类似的方式连接起来。

2000年,《自然》杂志登载了生物学家首次合成基因电路的两篇论文。柯林斯领导的一个团队宣布在细菌中设计了第一个人工“拨动开关”,可通过分子信号驱动或停止基因活动。另一篇论文是普林斯顿大学的科研人员所描述的一种合成定时开关,可通过彼此抑制的三个基因来控制基因活动。

大自然做来毫不费力的事情,人类模仿起来却显得相当笨拙,但有了可完成复杂任务的基因电路,研究人员可以走得更远。他们可以将基因电路与其他基因组件联结起来,就像电气工程师设计计算机芯片一样,来完成更复杂更精细的工作。

与银杏生物工作室隔着一条查尔斯河的生物技术大楼的二楼里,一些生物部件在这里加工成了复杂的机械。这里是麻省理工学院的合成生物学中心,众多的生物工程师们忙碌地进行着新颖而独特的编程工作——只不过他们编程的对象不是以电信号为基础的电路,而是以DNA为基础的生物电路。

克里斯托弗·沃伊特曾经是一名计算机程序员,他之所以转入合成生物学领域,是因为他认为这是极具挑战性的科技前沿。“能够以一种新的语言编写程序,让大肠杆菌来执行某组操作,这是极具挑战性的工作。”他说。

一开始,科学家并不清楚为生命编程的梦想是否能够真正实现。2000年代时,科学家已经可以将一些生物部分连接或重新连接,但并不具备实际的应用可能。如今这种情况正在开始改变。现在研究人员可以开发出更可靠的生物部件,更重要的是,可以用更多更复杂的方式将它们连接起来。“我们终于迎来了一个转折点。”沃伊特说道。

沃伊特和他的同事最近创建了迄今为止最大的合成基因电路,其中的四种“传感器”可探测到特定的环境输入,如:一种可探测到细胞中的氧气水平,另一种可感知葡萄糖水平。综合这些输入信息和其他提示,细胞就可决定是否要采取某个特定行动。

沃伊特和他的同事们希望这种类型的生物电路可应用于工业发酵池,大桶里面的细菌可以多种方式感知周围环境变化,然后调整其活动。一些非常基本的电路已在生物技术领域得到应用。将足够多的电路和程序以适当的方式结合起来,合成生物学有望在不远的将来进行更个人化的设计。就像早期的笨重电脑最终发展到了可放进你口袋里的智能手机,也许有一天,按个性化要求设计细胞将成为我们日常生活的一部分。

罗恩·韦斯读研究生时专攻计算机程序模拟生物胚胎发育变化。有一天他突发奇想,想要以他的计算机知识来对生物学过程进行编程。于是他来到奈特的办公室,要求加入刚刚崭露头角的合成生物学领域。经过一段时间每天花16小时奋发学习DNA基础知识,韦斯将他计算机编程的重点从工程学转到了合成生物学。

现在,韦斯的团队正在设计一种可以追踪和消灭癌细胞的“刺客细胞”。瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家贝奈森制作了一种合成生物电路,可感知检测到癌细胞中的一些化学物质含量。生物电路中含有人工合成的基因,携带着让癌细胞自杀的信息。携带有这种生物电路的细胞会积极寻找癌变细胞,一旦发现,“刺客细胞”就会启动开关,让癌细胞“自动”消失。

2011年,韦斯团队的论文显示,这种“癌细胞杀手电路”在实验室培养皿里的人类细胞实验中已获得成功,但要真正应用于治疗癌症患者,还有很长的路要走。科学家们首先需要找到一种方法将“癌细胞杀手”载入人体。“我们需要一些载体,如某种病毒,它可以进入细胞,然后检查每个细胞,看是否发生癌变。”韦斯说道。他的小组正在利用一种病毒在老鼠身上进行实验,如果成功的话,最终医生就能够将这种“生物电路”注入患者体内帮助治愈癌症。

韦斯还将目光放在了其他几种重要疾病上,如糖尿病病人需要定期注射胰岛素,韦斯认为,注入人体内的基因工程细胞就能做好这件事。他的团队初步从理论上展示了人工合成的基因电路如何将干细胞培育成为可产生胰岛素的细胞;加上人工合成的基因开关,就可根据需要来指挥细胞生产胰岛素。

合成生物学的应用前景

解决饥饿问题

合成生物学研究可以帮助农民养活更多的人。几千年来,人们一直在为提高农业收成而努力。转基因研究提高了农作物产量,增强了农作物对干旱和病虫害的抵抗能力。如今在合成生物学领域,科学家们正在考虑如何对植物内部的光合作用进行调整,以解决全球粮食问题。一种构想是,开发某些新颖的酶,促使植物更多地吸收来自太阳的能量。另一种构想是让植物拥有直接从大气中吸收碳的能力。在2012年4月的《应用和环境微生物学》杂志上,希尔瓦和她的同事在论文中报道说,基因工程细菌可帮助大幅提高农业收成。

生产替代能源

在早期的合成生物学研究中,人们希望生物燃料可帮助人类社会摆脱对于化石燃料的依赖。通过基因工程微生物来生产碳氢化合物,比开采和燃烧煤炭和石油更清洁,更有利于保护环境。自2000年以来,美国能源部已斥资数百万美元进行合成生物学生物燃料研究,如新型的藻类生物柴油或其他基因工程燃料。不过到目前为止,这项研究只取得了有限的进展。

治疗癌症等疾病

合成生物学研究的重要目标之一是让人类更健康。研制基因工程的新药,或能在人体内攻克疾病的基因工程细胞,从一开始就是该领域的目标。早期的成功例子之一是一种生物工程版本的抗疟疾药物,制药公司目前正致力于将这一成果推向市场。另一项对提高人类健康将产生重大影响的合成生物学研究,是利用经过生物工程改造的人类细胞来定位和消除癌细胞。虽然这项技术已在实验室培养皿中证实可行,但离实际应用于治疗癌症病人还有很长的路要走。

清理污染物

微生物已被用于石油泄漏事件的清理工作中,它们吃下石油成分,将其转换为危害较小的副产品。人工合成的基因工程细菌可以更好更快地完成这类污染清理工作。科学家的下一个目标是让人工合成细菌处理一些更顽固更难清除的污染物,如杀虫剂和放射性废物等。西班牙国家生物技术中心研究人员设计的生物电路,可让以糖为食的微生物改变它们的“口味”,改而以工业化学物质作为它们的“美食”。

合成生物学的崛起指日可待

合成生物学的另一项宏伟目标是帮助解决能源危机。最初,科学家提出了令人振奋的理论,将合成基因插入有机体的DNA中,让它分泌出生物柴油或其他石油替代品。包括银杏生物工作室在内的一些公司,目前仍然在为实现这一目标而努力。然而许多这类引人注目的项目,例如藻类生物燃料基因工程,都没有成功。多数情况下,以人工合成技术产生的微生物燃料在经济成本上无法与常规石油产品相竞争。

大多数合成生物学家认为,这只是前进路上不可避免的颠簸。哈佛大学的希尔瓦从当初的以合成生物学方法产生清洁燃烧的氢燃料,改为对植物内部的光合作用重新进行基因工程设计。希尔瓦曾经是一位分子生物学家,2000年代初期转而研究合成生物学。如今她开发的一种人工合成遗传基因设备,可用来跟踪检测细胞受到的辐射量等。

希尔瓦认为,合成生物学加快了一些实际应用的研究进展。尽管可能仍然落后于科学家的期望值,但毫无疑问的是,这一领域发展得很快。研究人员发明了许多比以前更经济、更便捷的装配人工合成生物部件的基因电路等新方法。

麻省理工学院的兰迪·雷特伯格认为,合成生物学的影响,就像互联网一样,需要几十年的时间才能全面显现出来。他说:“合成生物学的发展只有大约10年时间,而计算机网络技术从最初的美国国防部ARPA计算机网到万维网经历了大约25年时间。虽然互联网的诞生和普及花了很长的时间,但它的影响显然远远超过了人们之前所能想象的。”

雷特伯格的老朋友奈特以前也是一位电气工程师。奈特现在大部分时间都在银杏生物工作室,他的名片上简单地写着“DNA黑客”。在实验室自动化机器的呼呼背景声中,在测试新的基因工程生物零部件功能的过程中,奈特不断地酝酿着新的构想。他说,这是一项激动人心的事业。合成生物学将会成为下一个英特尔吗?让我们拭目以待。


 

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许多技术都会带来潜在的危险,合成生物学也不例外。可以想象到的危险包括:意外或无意间释放有害生物或生物系统;有目的设计并释放出有害生物或生物系统;过度依赖于合成生物学的设计和维护工程,而威胁到自然界的生物。针对这类担忧的措施有:研究人员只在经批准的研究设施中进行生物安全1级的生物组件研究;加强教育和培训有责任心的生物工程师和科学家等。

合成生物学研究会引发道德伦理问题吗?

我们是要被动地继承和延续生命,还是与自然世界进行负责任的合理互动呢?如果我们想要与生命世界展开互动,我们是否应该在分子水平上来对这种互动进行描述,并预测其结果呢?我们不能对所有这些问题作出解答,但希望能对这些问题进行深思。

哪些技术将促进合成生物学的发展?

快速和廉价的DNA测序和合成将有利于快速设计、制造和测试生物系统。用于系统设计和模拟的软件工具,以及先进的测量技术(相当于一种生物调试器),也都是更好地观察生物系统状态所必不可少的。

用“生物电路”来连接“生物零部件”

一旦合成生物学家拥有了足够的生物零部件,接下来的问题就是如何将它们连接起来。生物工程师们的灵感来自于电气工程师,电气工程师用电线将晶体管、电阻器和电容器连接起来,通过在半导体芯片上创建一个从这些零部件流过的电路,就可以执行某项任务。生物零部件也可以用类似的方式连接起来。

2000年,《自然》杂志登载了生物学家首次合成基因电路的两篇论文。柯林斯领导的一个团队宣布在细菌中设计了第一个人工“拨动开关”,可通过分子信号驱动或停止基因活动。另一篇论文是普林斯顿大学的科研人员所描述的一种合成定时开关,可通过彼此抑制的三个基因来控制基因活动。

大自然做来毫不费力的事情,人类模仿起来却显得相当笨拙,但有了可完成复杂任务的基因电路,研究人员可以走得更远。他们可以将基因电路与其他基因组件联结起来,就像电气工程师设计计算机芯片一样,来完成更复杂更精细的工作。

与银杏生物工作室隔着一条查尔斯河的生物技术大楼的二楼里,一些生物部件在这里加工成了复杂的机械。这里是麻省理工学院的合成生物学中心,众多的生物工程师们忙碌地进行着新颖而独特的编程工作——只不过他们编程的对象不是以电信号为基础的电路,而是以DNA为基础的生物电路。

克里斯托弗·沃伊特曾经是一名计算机程序员,他之所以转入合成生物学领域,是因为他认为这是极具挑战性的科技前沿。“能够以一种新的语[FS:PAGE]言编写程序,让大肠杆菌来执行某组操作,这是极具挑战性的工作。”他说。

一开始,科学家并不清楚为生命编程的梦想是否能够真正实现。2000年代时,科学家已经可以将一些生物部分连接或重新连接,但并不具备实际的应用可能。如今这种情况正在开始改变。现在研究人员可以开发出更可靠的生物部件,更重要的是,可以用更多更复杂的方式将它们连接起来。“我们终于迎来了一个转折点。”沃伊特说道。

沃伊特和他的同事最近创建了迄今为止最大的合成基因电路,其中的四种“传感器”可探测到特定的环境输入,如:一种可探测到细胞中的氧气水平,另一种可感知葡萄糖水平。综合这些输入信息和其他提示,细胞就可决定是否要采取某个特定行动。

沃伊特和他的同事们希望这种类型的生物电路可应用于工业发酵池,大桶里面的细菌可以多种方式感知周围环境变化,然后调整其活动。一些非常基本的电路已在生物技术领域得到应用。将足够多的电路和程序以适当的方式结合起来,合成生物学有望在不远的将来进行更个人化的设计。就像早期的笨重电脑最终发展到了可放进你口袋里的智能手机,也许有一天,按个性化要求设计细胞将成为我们日常生活的一部分。

罗恩·韦斯读研究生时专攻计算机程序模拟生物胚胎发育变化。有一天他突发奇想,想要以他的计算机知识来对生物学过程进行编程。于是他来到奈特的办公室,要求加入刚刚崭露头角的合成生物学领域。经过一段时间每天花16小时奋发学习DNA基础知识,韦斯将他计算机编程的重点从工程学转到了合成生物学。

现在,韦斯的团队正在设计一种可以追踪和消灭癌细胞的“刺客细胞”。瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家贝奈森制作了一种合成生物电路,可感知检测到癌细胞中的一些化学物质含量。生物电路中含有人工合成的基因,携带着让癌细胞自杀的信息。携带有这种生物电路的细胞会积极寻找癌变细胞,一旦发现,“刺客细胞”就会启动开关,让癌细胞“自动”消失。

2011年,韦斯团队的论文显示,这种“癌细胞杀手电路”在实验室培养皿里的人类细胞实验中已获得成功,但要真正应用于治疗癌症患者,还有很长的路要走。科学家们首先需要找到一种方法将“癌细胞杀手”载入人体。“我们需要一些载体,如某种病毒,它可以进入细胞,然后检查每个细胞,看是否发生癌变。”韦斯说道。他的小组正在利用一种病毒在老鼠身上进行实验,如果成功的话,最终医生就能够将这种“生物电路”注入患者体内帮助治愈癌症。

韦斯还将目光放在了其[FS:PAGE]他几种重要疾病上,如糖尿病病人需要定期注射胰岛素,韦斯认为,注入人体内的基因工程细胞就能做好这件事。他的团队初步从理论上展示了人工合成的基因电路如何将干细胞培育成为可产生胰岛素的细胞;加上人工合成的基因开关,就可根据需要来指挥细胞生产胰岛素。

合成生物学的应用前景

解决饥饿问题

合成生物学研究可以帮助农民养活更多的人。几千年来,人们一直在为提高农业收成而努力。转基因研究提高了农作物产量,增强了农作物对干旱和病虫害的抵抗能力。如今在合成生物学领域,科学家们正在考虑如何对植物内部的光合作用进行调整,以解决全球粮食问题。一种构想是,开发某些新颖的酶,促使植物更多地吸收来自太阳的能量。另一种构想是让植物拥有直接从大气中吸收碳的能力。在2012年4月的《应用和环境微生物学》杂志上,希尔瓦和她的同事在论文中报道说,基因工程细菌可帮助大幅提高农业收成。

生产替代能源

在早期的合成生物学研究中,人们希望生物燃料可帮助人类社会摆脱对于化石燃料的依赖。通过基因工程微生物来生产碳氢化合物,比开采和燃烧煤炭和石油更清洁,更有利于保护环境。自2000年以来,美国能源部已斥资数百万美元进行合成生物学生物燃料研究,如新型的藻类生物柴油或其他基因工程燃料。不过到目前为止,这项研究只取得了有限的进展。

治疗癌症等疾病

合成生物学研究的重要目标之一是让人类更健康。研制基因工程的新药,或能在人体内攻克疾病的基因工程细胞,从一开始就是该领域的目标。早期的成功例子之一是一种生物工程版本的抗疟疾药物,制药公司目前正致力于将这一成果推向市场。另一项对提高人类健康将产生重大影响的合成生物学研究,是利用经过生物工程改造的人类细胞来定位和消除癌细胞。虽然这项技术已在实验室培养皿中证实可行,但离实际应用于治疗癌症病人还有很长的路要走。

清理污染物

微生物已被用于石油泄漏事件的清理工作中,它们吃下石油成分,将其转换为危害较小的副产品。人工合成的基因工程细菌可以更好更快地完成这类污染清理工作。科学家的下一个目标是让人工合成细菌处理一些更顽固更难清除的污染物,如杀虫剂和放射性废物等。西班牙国家生物技术中心研究人员设计的生物电路,可让以糖为食的微生物改变它们的“口味”,改而以工业化学物质作为它们的“美食”。

合成生物学的崛起指日可待

合成生物学的另一项宏伟目标是帮助解决能源危机。最初,科学家提出了令人振奋的理论,将[FS:PAGE]合成基因插入有机体的DNA中,让它分泌出生物柴油或其他石油替代品。包括银杏生物工作室在内的一些公司,目前仍然在为实现这一目标而努力。然而许多这类引人注目的项目,例如藻类生物燃料基因工程,都没有成功。多数情况下,以人工合成技术产生的微生物燃料在经济成本上无法与常规石油产品相竞争。

大多数合成生物学家认为,这只是前进路上不可避免的颠簸。哈佛大学的希尔瓦从当初的以合成生物学方法产生清洁燃烧的氢燃料,改为对植物内部的光合作用重新进行基因工程设计。希尔瓦曾经是一位分子生物学家,2000年代初期转而研究合成生物学。如今她开发的一种人工合成遗传基因设备,可用来跟踪检测细胞受到的辐射量等。

希尔瓦认为,合成生物学加快了一些实际应用的研究进展。尽管可能仍然落后于科学家的期望值,但毫无疑问的是,这一领域发展得很快。研究人员发明了许多比以前更经济、更便捷的装配人工合成生物部件的基因电路等新方法。

麻省理工学院的兰迪·雷特伯格认为,合成生物学的影响,就像互联网一样,需要几十年的时间才能全面显现出来。他说:“合成生物学的发展只有大约10年时间,而计算机网络技术从最初的美国国防部ARPA计算机网到万维网经历了大约25年时间。虽然互联网的诞生和普及花了很长的时间,但它的影响显然远远超过了人们之前所能想象的。”

雷特伯格的老朋友奈特以前也是一位电气工程师。奈特现在大部分时间都在银杏生物工作室,他的名片上简单地写着“DNA黑客”。在实验室自动化机器的呼呼背景声中,在测试新的基因工程生物零部件功能的过程中,奈特不断地酝酿着新的构想。他说,这是一项激动人心的事业。合成生物学将会成为下一个英特尔吗?让我们拭目以待。