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漫谈合成生物学 如何在实验室内人工创造新生命

http://www.kexue.com 2013-11-27 09:39:06 凤凰科技  发表评论


12007年研究人员将山羊支原体细菌的基因移植到丝状支原体细菌内

大肠杆菌的显微镜图片,大肠杆菌可能是生活在人体内脏里的人类最熟知的细菌物种

  2003年,一组工程师、计算机科学家和分子生物学家在美国麻省理工学院齐聚一堂,试图解答一个简单的问题:如果生物学变得更快,更廉价,且对工程师们更可预测,那么世界会变得怎样?参与该会议的分子生物学家是美国哈佛大学医学院的帕梅拉-西尔维(Pamela Silver),他与和生物工程师德鲁-恩迪(Drew Endy)和兰迪-雷特伯格(Randy Rettberg)一起在麻省理工学院教授了一门选修课,学生们必须利用基因部分建立一个细胞回路,就像工程师利用晶体管建造一个电脑芯片一样。这一方法形成了名为合成生物学领域的基础。

  “将DNA排列好并合成的成本变得更低,我们能够将生物学当做真正的工程学对待,” 西尔维说道。从制造细菌代替血到创造新的生物燃料,再到拼接自然界不存在的简单生物体,合成生物学家设计并创造了新的生物学部件、设备和系统,或者重新设计自然界的系统以用于其它用途。

  利用这种强大的方法,科学家们开始设计能够制造食物或者生物燃料的微生物,制成药品以及感知环境里的毒素。这种技术既具有巨大的潜力,同时也存在伦理误区,这完全取决于人类怎么应用它。

  标准部件

  这一领域的发展根植于分子生物学的发展,使得科学家们能够操纵DNA——所有细胞内的基因指令。在过去的30年里,研究人员研发了剪贴-粘贴DNA的工具,产生了大量的DNA副本,将其排序并最终合成了DNA。

  而这多亏了科技高速发展和成本的降低,DNA技术人员能够创造标准化的基因部分并与简单的细胞相结合,例如细菌或者酵母。

  在麻省理工学院进行的只有1个月长的选修课很快发展为年度国际基因工程竞赛(iGEM)。一组本科生顺利的完成了建造能够在活体细胞内正常运行的生物系统,主要是利用名为生物积木的基因部分,它能够像乐高积木一样堆积起来。

  一支来自爱丁堡大学的小组研发了一种细菌传感器,能够检测砷污染并针对存在毒素的量而发生酸性PH值的改变。美国加州大学伯克利分校的学生创造了Bactoblood,一种利用大肠杆菌制造的血液替代物。英国剑桥大学的一支学生小组创造了一种能够产生不同颜色色素的微生物,它或可用于检查健康的排便。

  先进技术水平

  “我有一种预感他们成功了。” 西尔维说道,她指的是文特尔试图创造最小的有机体。“他们研发了新的技术以组装DNA,这非常有用。”合成生物学的基本原则之一便是所谓的底盘生物——有点类似电子学里的案板。首次进行人体基因组测序的两组科学家之一的负责人、基因科学家克雷格-文特尔(Craig Venter)目前正在研究这样的“最小生物体”。2010年,文特尔的研究小组成功的创造了第一个合成细胞,通过制造改进版的细菌基因,将其在酵母里装配然后塞入另一个细菌里。

  另一个项目则具有更直接的应用。例如,拥有多个大学研究中心的合成生物学工程研究中心(Synberc)正在研发抗疟药物青蒿素的人工合成版本,这比目前使用的从植物中提炼的版本要更廉价更有效。

  这一领域还有改变计算的潜力。今年早期,恩迪和他的同事在斯坦福大学研发了生物学版本的晶体管。他们创造了名为晶体管的基因部分,后者会阻碍复制DNA指令的酶的流动,并重新安排它们执行细胞内的计算。

  西尔维认为接下来面临的最大挑战之一便是寻找增加植物生物量以作为食物的方法。通过增加光合作用和固碳作用(将大气里的二氧化碳转化为有机形式),合成生物学将在解决这一问题上起着重大的作用。“我们正逐渐进入摈弃合成化学物质选择自然合成的化学物质的经济时代,” 西尔维说道。“这主要是利用我们伟大的自然资源,太阳。”

  双刃剑

  尽管该领域具有无限的潜力,但设计和修补活生物体会引发伦理问题。进行合成有机体研究的研究人员还必须考虑安全问题,以及这些有机体将对环境整体造成什么影响。例如,合成生物体可能会无意中感染了研究人员并导致他们生病,正如目前存在的很多微生物一样。基因“杀戮开关”的概念已经被提出,作为控制在实验室以外出错的合成生物体的方法,但这并不能阻止蓄意的滥用这种技术。

  很多人,从生物伦理学家到哲学家甚至是科学家们本身,也在探索这一问题。西尔维鼓励人们对于合成生物学的潜在用途以及这种科学的滥用不抱成见。“真正危险的是人们只关注自己一个人的观点。”

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