是人造生命还是修改生命 “合成细胞”定义引争议

2010年6月03日 09:46:18 来源: 南都周刊
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被冠以“人造生命之父”的克雷格·文特,只是认为其团队成功改造了新种类的细胞而已。

  15年来,克雷格·文特尔(J. Craig Venter)博士一直追逐着一个梦想:从零开始构建出一个基因组,然后用它创造合成生命。现在,他和Craig Venter研究所(JCVI)的成员们终于让梦想成为现实。文特尔博士的研究团队在最新一期的《科学快讯》(《Science Express》)上发表了他们的研究论文,详细介绍了怎么制造出一条细菌染色体,然后把这条染色体移植到一个细菌体内以取代它原有的DNA(脱氧核糖核酸)。在这个合成基因组的驱动下,这个微生物细胞开始自我复制,并制造出一种全新的蛋白质。

  科学杂志《人造生命》(《Artificial Life》)主编以及里德学院的哲学教授马克·贝道(Mark Bedau)说,“这是生物学和生物科技历史上的决定性时刻。”约翰霍普金斯大学医学院的酵母菌生物学家杰夫·博伊科(Jef Boeke)也认为它代表了合成基因组学这一新领域的重要技术里程碑。

  文特尔博士的团队创造的合成基因组和自然细菌体内的基因组几乎完全一致。而这个基因组也称得上是造价不菲,前后耗资将近四千万美元,花了20名研究人员超过十年的时间。尽管如此,制造能生产燃料或者药品的更加复杂的基因组,并让它像在单细胞中一样自我繁殖仍然是个不可企及的计划。要想从头开始组合,配对和设计一个生物体的基因组,基因工程师要做的事情还多得很。

  合成细菌的想法源于文特尔博士、JCVI成员克莱德·哈奇森(Clyde Hutchison III)和汉密尔顿·史密斯(Hamilton Smith)负责的一个项目:确定微生物所必须的最少基因导向,在此基础上,增加能够促使一个细菌转变成可供人类利用的化合物的基因。1995年,这三人领导的一个研究小组对生殖支原体(Mycoplasma genitalium,一种细菌)染色体的60万个碱基完成了基因排序。这是自由生存有机体中最小数量的基因组。这种微生物含有500种左右的基因,研究人员发现,删掉其中的100种基因并不会带来任何不良影响。

  要证明实验暗示的最小基因组,就必须完成这两个步骤:合成一整条的细菌染色体,然后将其植入一个受体细胞内。但制造和控制整条染色体的技术当时还未出现。直到2007年,文特尔、史密斯和哈奇森才最终实现把自然染色体从一个微生物移植到另外一个微生物体内。一年之后,他们又成功制造出一条人造染色体。这条染色体和生殖支原体染色体相称,但同时又包含“水印”DNA序列,以便于两者之间的区分。

  不过,对这两个步骤的组合却陷入僵局。部分原因在于生殖支原体生长过于缓慢,一个单独实验就可能耗费上好几个星期。研究小组中途决定更换微生物,对含有100万个碱基但生长迅速的丝状支原体(Mycoplasma mycoides)进行基因排序,并开始制造其染色体的合成复制品。到2009年,实验显示他们已经能够分离出丝状支原体的染色体,将其放在酵母菌中,修改它的基因组,然后把它移植到山羊支原体(Mycoplasma capricolum)中。他们下一步要做的就是,证明这种细菌DNA的合成复制品也可以达到一样的效果。

  为了打造合成染色体,研究人员开始求购DNA。他们从Blue Heron公司购买了1000多个DNA序列,每个DNA序列含有1080个碱基。每个DNA序列的末端有80个碱基与下一个序列重叠,以方便它们按正确的顺序组合在一起。组合好的DNA序列中有四个序列含有独特的碱基串。这些碱基代码可以拼出一个电子邮件地址,参与到这个项目中的人的名字,以及一些名言警句。

  合成DNA是在酵母菌中逐步完成的,利用的是酵母菌的DNA修复能力。研究人员首先会把短小的基因片段连接成含10000个碱基的长链,然后以同样方式连接成含100000个碱基的DNA序列,最后形成完整的基因组。但当他们最开始把合成基因组植入山羊支原体中后,什么也没有发生。就像计算机程序员调试出错软件一样,他们对合成DNA和自然DNA的组合进行系统化地移植,3 个月后才最终找到了出错的一对碱基。

  在经过数个月移植试验失败之后,有一天研究人员在实验室的一块培养板上发现了一群快速生长的蓝色细菌菌落。蓝色表明细胞使用了新的基因组。收到消息的文特尔博士立刻带着摄像机赶到实验室,拍下了这块培养板。

  他们从这个菌落中提取了DNA进行排序,确认了这种细菌含有的是合成基因组,它制造的蛋白质也具有丝状支原体而非山羊支原体的特征。这个菌落的生长模式也跟丝状支原体一样。文特尔说,“我们很明显地将一种细胞分子改造成了另一种类。”文特尔把这个细胞称之为“地球上第一个电脑制造的具备自我复制能力的物种。”

  范德比尔特大学的分子生物学家安东尼·福斯特(Anthony Forster)承认这是个非常令人惊异的成就。但他强调,这个项目并没有创造一个真正的合成生命形式,因为基因组是被植入到一个现存的细胞分子中的。波士顿大学(Boston University)的生物工程师吉姆·柯林斯(Jim Collins)也认为,文特尔制造出的实际是一个含有合成的自然基因组(synthesized natural genome)的有机体。而这并不能代表一种新的生命形式。

  在许多生物学家看来,文特尔的“合成细胞”只是个验证项目,用于培育它的实验室技术将会很快被应用于其它更具商业潜力的细菌种类。事实上,多家公司已经试图在合成生物学这个新领域发掘商业产品。文特尔博士建立的Syntheric Genomics公司跟Exxon Mobil集团就签订了一份价值6亿美元的合约,以帮助其制造一种可以将二氧化碳转化成燃料的藻类。文特尔博士说他已经着手为这项技术申请专利,尽管现在这种专利类别会面临很大的法律挑战。