人造人前传

在科幻和动漫作品中,不乏对人造生命的想象。

龙珠里的人造人军团。

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龙珠

星球大战前传2 克隆人的进攻,克隆人军团方队绝对是最震撼的场景之一。

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星球大战前传2 克隆人的进攻  剧照

“云图”里的克隆人服务员。


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云图 剧照

有人甚至统计过动漫中人造人的出现次数:

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对现代人来说,像电影动漫那样,用人造生命为自己提供服务似乎遥不可及。

但实际上,就在今年春天,顶级自然科学期刊《Science》发表了一系列文章,其中中国科学家团队人工合成4个酵母染色体。这个成果大大加快了人造生命实现的步伐。

其实,人们对人工再造生命的探索由来已久,而且从未停止。

早年,人们以为生命的存在需要一种神秘的能量。组成生命的物质——有机物中存在“生命力”,只能在生物体内产生,而能够人工合成的物质只有没有“生命力”的无机物。

1828年,一个偶然发现发现打破了无机物和有机物之间的鸿沟,德国化学家维勒发现无机物异氰酸铵可通过重排反应形成有机物尿素。从此,大量有机物相继被人工合成。维勒的导师,著名化学家贝采里乌斯曾因此写信问他能不能在实验室“制造出一个小孩”,结果“一语成谶”。


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参与生命活动最重要的物质是蛋白质和核酸。核酸是生命遗传信息的载体,负责指导全部生命活动,而蛋白负责生命活动过程的主要执行者。如果要人工制造生命,就先制造出核酸和蛋白质。

人工合成蛋白

1953年,米勒用放电实验在实验室中生成蛋白的基本单元——氨基酸。(随即,50年代末,Merrifield发明了将氨基酸脱水缩合成多肽的多肽固相合成法。)(正文内,括号中的内容比较专业,不看不影响理解。

60年代,德国、美国和中国的三支团队相继独立完成牛胰岛素的合成。其中,钮经义领导的中国科学家团队得到了牛胰岛素的结晶,具有生物活性,这是生物领域建国初期国内最为人所知的科研成就。然而人工合成蛋白成本很高,无法大规模使用,这项消耗巨大的成果对科研的贡献十分有限,这也是未能获得诺贝尔奖的原因。(现在基本用生物方法制造蛋白,大致过程是将所需蛋白的DNA序列转入活体大肠杆菌、酵母菌或者昆虫细胞,用细胞内蛋白表达系统合成蛋白。)


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米勒 放电实验



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人工合成核酸

核酸是核苷酸(通过磷酸二酯键)相连形成的链式分子,科学家们半个多世纪的不懈努力已经使得人工合成DNA相当廉价而且快捷。

1958年,英国剑桥大学Todd实验室首次合成含有两个核苷酸的分子。1973年8月,Khorana等合成了一个(总长126bp的)(bp 碱基对)大肠杆菌(酪氨酸tRNA)基因,但并没有转录功能。5年后,同一团队合成具有生物活性的(酪氨酸tRNA)基因。随后,Lestinger与Caruthers研制出自动合成DNA序列的技术,使人工合成DNA效率成倍增长。(现在,合成1OD引物的价格甚至不到1元/1bp。)

人工合成基因组

当时间跨入21世纪,人类终于实现了完整合成基因组。2003年12月,Craig Venter等合成了噬菌体(φX174)的基因组,并且,将这个“人造”基因组“注射”进细菌后,产生了新的噬菌体。虽然这个病毒的基因组仅有5386bp(人类基因组约3,000,000,000bp),但这是人类合成的第一个完整而且有生理活性的基因组。

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Craig Venter合成噬菌体基因组流程

这种从零开始,“做加法”的研究思路逐渐受到重视,并形成了一门新学科:合成生物学。2004年6月,第一届合成生物学国际会议在美国麻省理工学院召开。

2010年,Craig Venter的实验室人工合成了第一个具有全人造基因组的活细胞。Venter合成了支原体Mycoplasma mycoides)的基因组,并在另一种支原体(M. capricolum)细胞中成功复制、翻译并传代。(他们实现这项工作用了15年。支原体是能独立生存的基因组最小的生物,但其中500多个编码蛋白的基因中,有100多个非必需基因。好奇的科学家们想知道基因组到底能删减到多少。于是决定人工合成基因组。首个人工合成的细胞基因组总长1,077,947bp。先人工合成长约1000bp的DNA序列,然后用大肠杆菌和酵母菌逐级拼接DNA片段,最终得到完整拼接的基因组。)


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Craig Venter合成支原体基因组流程

人工合成染色体

2014年,英国、法国、美国和印度的十四家学术机构合作,成功合成1条酵母染色体。酵母是一种真核生物,有16个染色体。 (本次人工合成的三号染色体有316,617bp。该染色体序列的“原型”是酵母“天然”的三号染色体序列,人工删除掉“非必需”序列后,用化学方法合成和拼接,然后分段替换酵母菌中的三号染色体的相应片段,最终将这条天然染色体序列全部替换为人工合成序列。)

2017年,在多国科学家的通力合作下,再成功合成5条酵母染色体,其中中国科学家合成其中4条。

“人造人”的未来

迄今为止,仅仅合成了6条酵母染色体,似乎人造人“登场”还早得很,但实际并非如此。虽然酵母总共有16条染色体,而且,现在仅仅人工合成了基因组,让基因组有序运转的蛋白、细胞膜和细胞器仍然需要借助现有的生物体内的组分。但随着技术飞速发展,人工制造细胞各种组分肯定不是遥不可及。而且技术一旦成熟,就会迅速发展,合成余下染色体的时间肯定不会太久。人也是从一个细胞发育来的,当能够人工合成一个细胞的时候,“人造人”还会远吗?

虽然“人造人”肯定会有巨大的伦理压力,但人造生命的研究仍然需要继续。著名物理学家理查德•费曼有一句著名的格言:“What I cannot create, I do not understand”。如果能彻底了解生命的奥秘,就能够更好地利用生命为自己造福。比如:

1,改造生物体,利用生物进行工业生产。例如:青蒿素是治疗疟疾的特效药,但如果从青蒿中提取,原料消耗很大,成本居高不下。现用人工手段改造酵母染色体,使酵母能产生青蒿素,生产成本大大降低。

2,器官移植。国内每年约150万人需接受器官移植,但仅1万能得到所需的器官。巨大的供需落差也带来严重的社会问题。而且就算器官移植成功,也常常需要终身服药减弱排异反应。若能利用人工手段,用患者自己的基因制造器官,必将是巨大的福音。

3,疾病研究。利用合成生物学手段构建人类发育和代谢模型,并以此研究人类疾病发生和发展的机理,能为疾病预防和治疗奠定理论基础。

然而,这也可能带来灾难。当一种全新的生物进入生态循环,可能带来生态灾难和恐慌。埃博拉病毒和寨卡病毒给全世界带来了巨大的恐慌,若恐怖主义者合成出杀伤力更大的人工病毒,后果不可想象。在科幻作品里,人造人巨大的破坏力常常给人深刻的印象,恐怕没人希望这种场面成真吧。

每一种新技术都是一把双刃剑,只希望当人类真的能够“制造”自己时,能够带来更多的福音,而不是灾难。

参考文献:

1, Daniel G. Gibson et al. Construction of a yeast chromosome. Nature, 2014.

2, Daniel G. Gibson et al. Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science, 2010.

3, Clyde A. Hutchison III et al. Design and synthesis of a minimal bacterial genome.  Science, 2016.

4, Weimin Zhang et al. Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome. Science, 2017.

5, Hamilton O. Smith et al. Generating a synthetic genome by whole genome assembly: φX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. PNAS, 2003

6, Clyde A. Hutchison III et al. Global Transposon Mutagenesis and a Minimal Mycoplasma Genome. Science, 1999.

7, Narayana Annaluru et al. Total Synthesis of a Functional Designer Eukaryotic Chromosome Science, 2014.

8, Takao Sekiya et al. Total Synthesis of a Tyrosine Suppressor Transfer RNA Gene. The Journal of Biological Chemistry, 1979.

9, 百度百科,萌娘百科等。

10,中国科学院官网。

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