合成生物學(xué)：重新設(shè)計(jì)生命的工具

合成生物學(xué)專家、國防科技大學(xué)張東裔教授為您講述

◎它能扮演上帝創(chuàng)造生命的角色，是人類重新設(shè)計(jì)生命的工具。

◎它能給人類健康帶來福音，是一個(gè)新的美好生活創(chuàng)造者。

◎它能推動(dòng)軍事力量發(fā)展，是未來戰(zhàn)場上不可忽視的力量。

2014年4月1日，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）成立了一個(gè)新機(jī)構(gòu)：生物技術(shù)辦公室（BTO）。這個(gè)新機(jī)構(gòu)有一個(gè)重要的研究方向，就是利用生命系統(tǒng)的合成能力，研發(fā)比先進(jìn)的傳統(tǒng)化學(xué)手段還要優(yōu)越的技術(shù)，構(gòu)造具有全新功能的生物系統(tǒng)，為國家安全提供支持。

這一信息的披露，又將人們的目光投向了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域——合成生物學(xué)。現(xiàn)在，就讓我們來揭開它的神秘面紗吧。

讓生命靈活設(shè)計(jì)

合成生物學(xué)，一個(gè)陌生而又熟悉的名字。如果套用當(dāng)下的一句流行用語，它是一個(gè)“低調(diào)奢華有內(nèi)涵”的學(xué)科名稱。這是因?yàn)?，它已悄無聲息地蔓延到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，扮演著上帝創(chuàng)造生命的角色。

作為21世紀(jì)剛剛出現(xiàn)的一個(gè)生物學(xué)分支學(xué)科，它與傳統(tǒng)生物學(xué)從上而下通過層層解剖和解析生命體，來研究其內(nèi)在構(gòu)造的辦法相反，它將生命尤其是單細(xì)胞生命視為執(zhí)行生理功能的零部件，自下而上組裝，重新構(gòu)建新的生命體系。

它也不同于基因工程把一個(gè)物種的基因延續(xù)、改變并轉(zhuǎn)移至另一物種的做法，其目的是通過組裝各種生命部件來從頭建立人工生物體系，讓這些部件像電路中的元器件一樣，在生物體內(nèi)運(yùn)行，使生物體能按預(yù)先設(shè)計(jì)的方式完成各種生物學(xué)功能。

它的最高境界是靈活設(shè)計(jì)和改造生命，重塑生命體。科學(xué)家可以憑借最前沿的生物技術(shù)，重新設(shè)計(jì)和合成人工的基因組，甚至有可能創(chuàng)造新的物種，或者說是創(chuàng)造新的生命，實(shí)現(xiàn)神奇的新功能。

合成生物學(xué)的奇妙，也就在于此。

重新設(shè)計(jì)生命的工具

可能有人會(huì)問，地球上所有的生命都是億萬年進(jìn)化的產(chǎn)物，都是通過自然選擇雕琢出來的杰作，為何再對(duì)它們進(jìn)行重新設(shè)計(jì)呢？

事實(shí)上也是如此，基因作為生物進(jìn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)和主體，作為生命的藍(lán)圖，它在履行物種生存和延續(xù)的職責(zé)上已經(jīng)做得幾乎無可挑剔。但是，人類需要的是什么呢？絕不僅僅是維持一個(gè)繁榮的生物圈，因?yàn)樵跀?shù)千年前，我們擁有了生物多樣性更豐富的地球。正如恩格斯關(guān)于人和動(dòng)物區(qū)別的論述——“人和動(dòng)物最大的區(qū)別是制造并使用工具”，人類試圖將任何對(duì)大自然的認(rèn)識(shí)都轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚴褂玫墓ぞ摺?/p>

其實(shí)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們期望能夠通過重新設(shè)計(jì)生命的技術(shù)，來解決過去無法解決的很多問題。通過對(duì)生命系統(tǒng)中我們感興趣的功能模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和構(gòu)建，讓現(xiàn)有的生命系統(tǒng)具備更多的能力，獲得為人類服務(wù)的更大潛能，這就是我們需要對(duì)生命進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和構(gòu)建的原因。而要將生命系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)具有無限潛力的工具，就得依靠合成生物學(xué)與合成生物技術(shù)。

合成的生命系統(tǒng)到底如何造福人類呢？舉個(gè)現(xiàn)實(shí)中的例子。瘧疾，是一種頑固的熱帶流行病，至今仍在各大洲肆虐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年全球約2.2億人感染瘧疾，其中66萬人死亡，且大多數(shù)為兒童。在治療瘧疾的過程中，中國的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種能夠治療瘧疾的藥——青蒿素，被人們特別是非洲人稱為“中國神藥”。青蒿素原來一直是從植物中提取的，產(chǎn)量低、成本高，每個(gè)療程的用藥大約需要10美元左右，這對(duì)于非洲貧困地區(qū)的人和家庭而言是難以長期承擔(dān)的。

2006年，美國科學(xué)家將整個(gè)青蒿酸的代謝系統(tǒng)相關(guān)基因，在酵母菌中重新構(gòu)建，使其具備了合成青蒿酸的能力，從而大幅提高了青蒿素的生產(chǎn)能力，顯著地降低了成本，提高了產(chǎn)量，成為人類對(duì)抗瘧疾的重要里程碑事件。

在地球上數(shù)十億年的生命延續(xù)中，生命體總是不斷地適應(yīng)地球上千變?nèi)f化的自然環(huán)境，并具備了各種各樣的生存發(fā)展能力。這些能力其實(shí)都是基因通過無意識(shí)的自然選擇做到的。如果我們能夠運(yùn)用神奇的合成生物學(xué)技術(shù)，有針對(duì)性地對(duì)生命尤其是單細(xì)胞生命進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和構(gòu)建，不僅有機(jī)會(huì)獲得更多“神藥”，呵護(hù)人類的健康，而且能讓人的生命系統(tǒng)具備更加多樣的能力，如生產(chǎn)新材料、新能源等。在合成生物學(xué)領(lǐng)域，只有想不到的事，沒有做不到的事，這是由于基因的多樣性使它具有無窮的潛力。

創(chuàng)造人工生命的曙光

2010年，著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志公布了世界上首例合成生命“辛西婭”。美國生物學(xué)家文特爾的研究小組通過10多年的研究和探索，成功地將蕈狀支原體的基因組“復(fù)制”到了被挖空的山羊支原體細(xì)胞內(nèi)，并讓它重新活了過來。這就是世界上第一個(gè)完全由人工合成的生物——“辛西婭”。

辛西婭的誕生，是人類創(chuàng)造的嗎？或者說，人類已經(jīng)具備創(chuàng)造生命的能力了嗎？對(duì)此，科學(xué)家并不持這樣的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為，辛西婭只能稱為人類合成的生命，而不是創(chuàng)造的生命，這里面的區(qū)別就在于是否“原創(chuàng)”。如果將它與文學(xué)創(chuàng)作做一個(gè)類比，合成的辛西婭只是將別人的作品抄了一遍，并在里面做了標(biāo)記，并不屬于原創(chuàng)。因此，也就談不上是創(chuàng)造了一個(gè)生命。

辛西婭的誕生只能說明人類已經(jīng)掌握了書寫基因的“筆”，但缺乏一個(gè)充滿創(chuàng)作靈感的“大腦”，以人類目前對(duì)生命系統(tǒng)的理解水平，還只能算是學(xué)齡前孩子的語言水平和抄寫能力，也就是說，生物學(xué)家們現(xiàn)在還只能認(rèn)識(shí)部分基因的結(jié)構(gòu)和功能，認(rèn)識(shí)一些相對(duì)簡單的由基因構(gòu)成的路徑和網(wǎng)絡(luò)。

即便這樣，辛西婭的誕生還是轟動(dòng)了世界。畢竟，她是地球上一個(gè)全新的生命，擁有的是人工賦予的遺傳物質(zhì)。由此，我們可以預(yù)見，通過系統(tǒng)生物學(xué)的不斷發(fā)展，人類對(duì)生命系統(tǒng)和基因有了足夠充分的認(rèn)識(shí)后，以基因?yàn)榛敬u塊搭建“高樓大廈”的日子指日可待。合成生物學(xué)將達(dá)到其最高境界——?jiǎng)?chuàng)造新的人工生命。

影響未來戰(zhàn)爭的利器

新的技術(shù)發(fā)明總是能在戰(zhàn)爭中找到合適的位置，合成生物學(xué)技術(shù)在國防領(lǐng)域的應(yīng)用潛力同樣受到了密切的關(guān)注。

蜘蛛織網(wǎng)，目的在于捕食謀生，在日常生活中的應(yīng)用，大概就是小朋友偶爾用它來粘知了了。蜘蛛絲的良好彈性，還是引起了人們將其作為軍事防護(hù)材料的興趣，但問題是，蜘蛛不能像蠶一樣大規(guī)模飼養(yǎng)、吐絲，如果要讓軍隊(duì)每一名將士都穿上蜘蛛絲的“軟猬甲”，目前還只能出現(xiàn)在科幻小說中。

不過，這一異想天開的想法，如今有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。國外科學(xué)家運(yùn)用合成生物學(xué)有關(guān)原理，在微生物中合成了蛛絲蛋白，使蛛絲蛋白進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)成為了可能。盡管這一進(jìn)展現(xiàn)在看起來還微不足道，但表明新生命系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建在軍事上應(yīng)用是完全可行的。

2011年6月，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）宣布了“生物鑄造（Living Foundries）”項(xiàng)目，其目的是將標(biāo)準(zhǔn)化的生命元件組裝為全新的工程微生物，再利用它來實(shí)現(xiàn)各種具有軍事應(yīng)用潛力的生物功能。他們認(rèn)為，這一技術(shù)平臺(tái)的建立將有助于通過生物系統(tǒng)獲得“新材料、新能力、能源和藥物”。有資料顯示，國外的研究人員已經(jīng)通過合成的工程微生物，實(shí)現(xiàn)了可再生燃料的生產(chǎn)。如通過微生物的合成生物學(xué)改造，使微生物能產(chǎn)生生物柴油，用于車輛、軍艦甚至飛機(jī)的燃料供應(yīng)，從而有效改善能源結(jié)構(gòu)。

有專家指出，在軍事應(yīng)用需求牽引下，合成生物學(xué)的發(fā)展有望在以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破：

構(gòu)建新的代謝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特殊物質(zhì)的生物合成，滿足新能源、新材料、新藥物的需求。

構(gòu)建新的生物信號(hào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因子有針對(duì)性的響應(yīng)，滿足高效傳感和探測(cè)的需求。

構(gòu)建新的優(yōu)勢(shì)物種，調(diào)節(jié)、控制微生物群落，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場環(huán)境中有害因素的治理，以及對(duì)有利因素的最大化利用。

可以預(yù)見，合成生物學(xué)的發(fā)展，是未來戰(zhàn)場上不可忽視的力量。