制作细胞的“造物术”

6　制作细胞的“造物术”

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美国科学家说，他们借助染色体移植技术合成出了首个“人工细菌”，向合成生命迈出了重要一步。科学家希望，利用合成生命技术制造出可以生产人工燃料或清除有毒废物的“定制细菌”。

克雷格·文特尔

人造生命是指从其他生命体中提取基因，建立新染色体。随后将其嵌入已经被剔除了遗传密码的细胞之中，最终由这些人工染色体控制这个细胞，发育变成新的生命体。2007年10月8日，美国科学家克雷格·文特尔表示，他目前已经在实验室成功地制造出一个合成的人造染色体。2010年5月20日，美国私立科研机构克雷格·文特尔研究所宣布世界首例人造生命——完全由人造基因控制的单细胞细菌诞生，并将“人造生命”起名为“辛西娅”。这项具有里程碑意义的实验表明，新的生命体可以在实验室里“被创造”，而不是一定要通过“进化”来完成。

人类至今仍无法确切知道生命是如何起源于地球的，或者甚至不知道地球生命是否起源于其他星球，或许是彗星把它们带到了地球之上。但是，从目前情况看，人类已经很好地了解了生命的必要成份以及它们所形成的生物分子结构，也知道了这些结构是如何组成一个整体的。但是，如何创造生命，人类认识仍然很模糊。

从零开始创造生命，这一领域的研究最大进展是由著名遗传学家克雷格·温特尔于2010年5月取得的。温特尔和他的研究团队创造了首个合成有机体。科学家们在实验室中利用化学物质制造了一整个基因组，然后将这个合成基因组植入一个空细胞中。接下来，这个细胞根据植入的基因指令开始自我复制和修正。

基因组

这个人造的生命形式，被称为“综合体”。由于它需要以一个自然的、先前存在的有机体提供的残留细胞机制为基础，因此，科学转了一圈又回到了原地踏步。美国宾夕法尼亚大学生物伦理学家亚瑟·卡普兰认为，“温特尔并没有真正创造出生命。但是，他的研究表明，一个人造基因组可以为细胞提供动力，从而向真正的人造生命迈进了关键的一步。”

克雷格·文特尔曾经在一次访问中说，他成功地制造出人类历史上首个人造染色体，这将是一个极具里程碑意义的历史性事件，这也表明人类目前不仅可以“读懂”自己的基因组，而且还可以成功地通过人工手段进行复制。

支原体

在漫长的研究过程中，科学家们首先得到一种支原体细胞的染色体组，将其植入一种近亲支原体中，随后被植入的染色体组开始复制生长，最终将长成一个新的支原体。实验中，科研人员先将“山羊支原体”的内部挖空，再向其中注入“蕈状支原体”的DNA，最后新的支原体终于开始自我繁殖，成为世界首个“人造生命”。执行首次“染色体移植”项目的科学小组成员成功地制造出一个人造的染色体组，并仍在进行类似的试验，以便实现科研史上零的突破。此次试验获得成功，表明科学家们已经创造出一种新的人造生命的形式。与此同时，科学家还希望能制造出新的细菌种类，充当绿色能源以替代石油和煤、分解有毒废物、吸收二氧化碳气体和大气中其他温室气体。但是事情往往具有双面性，这种开创性的研究也引起科学界的疑虑。有科学家担心，也许有一天这项技术被作为制造新一代生化武器的途径。

基因遗传学家表示，人造染色体工作涉及一种感染人类的寄生虫的简单细菌，这种细菌已经被美国马里兰州的一家研究所研究多年，他们早期的目标是确定维持生命的最少基因，并在1999年取得了一定的进展。在实验中，美国的基因组学研究的大师、先锋级人物克雷格·文特尔还展示了他的最新技能——“细菌炼金术”，即利用“基因组移植”方法将一个细菌种变成另外一种细菌。这项进展是向着创造合成生命形式的目标前进的又一重要步骤。

知识拓展

人造生命对物种有哪些影响？

科学家们意外发现，脊髓灰质炎病毒能够在试管中的化学合成物中自动复制。由此，美国洛克菲勒大学的生物学家埃尔伯特·里勃切特得到启发，希望借助某种化学反应，制造出像活细胞一样可以自己生长的生命形式。

当地时间2004年12月21日，里勃切特博士领导的研究小组宣布，他们尝试创造人造生命已经进入实验阶段。这种人工生物叫做“囊生物反应器”，它很像某种低级的生物细胞，组成部分来自不同的生物材料：柔软的细胞壁是用蛋清中的脂肪分子制成的，细胞构成是从诸如大肠杆菌之类的活着的生物中得到的。

关于人造生命，一直都有三个问题困扰着科学家们。

生命必须的容器是什么？

从实验结果看来，里勃切特研究小组似乎成功制造出了一个人造细胞。但实际上，这些实验中的生物反应器并不能说是“活着”，因为这些合成囊只能生活在配置好的化合物中，仅仅存活数天而已。但是，这项研究距离合成生物这个新领域只有一步之遥，合成生物的目的是制成新的生物体。里勃切特在接受英国BBC采访时说：“如果这一切成为可能，我们就该重新思考一下生命究竟是什么。与其说这是个科学上的问题，不如说是一个哲学问题。对我来说，生命就像一个机器，一个由电脑程序控制的机器，仅此而已。”

海水污染

像核技术一样，此项新技术既有巨大潜在利益也有许多风险。一旦这样的有机体被制造出来，就可以让它们去做自然界从未见过的事情。例如，可以把这种有机体投放到被原油污染的海水中，它们可以吃掉所有原油并把它分解成无害的成分，等海水中的原油被消化完，它们也就随即死去。风险来自这样一个事实：它们是人造物，但它们却是活的，它们可以从其环境中获取材料。

如何让人造的生命自行复制？

应该说，里勃切特通过实验制造出的一些生命物质，只是生物大分子的基本构成单元，它们还远不是生命。那么，怎样才算是生命？尽管目前科学家对生命定义的一些细节还存有争议，但他们都同意生命至少要具备3个特征：

（1）生命必须有一个容器，如细胞的细胞膜、人的身体等；

（2）生命能进行新陈代谢，可在酶的催化作用下跟环境做物质和能量的交换；

（3）生命具有可以被储存和复制的化学指令，这些指令控制着生命活动，并且能复制遗传。

目前，这三项基本要素已经在实验室里分别模拟成功，尽管模拟实验解决的是一些最基本的单项问题，但科学家们还是宣称他们已经做好创造人造生命的一切准备工作。不久前，欧盟为开展这方面的研究曾拨专款900万美元。在此项研究的计划框架内，他们还在意大利威尼斯专门成立了世界上首家人造生命研究所，它被称作欧洲生命工程中心。美国马萨诸塞综合医院的微生物学家马丁·汉泽克认为，现在是开始实践性研究和着手全面实验的时候了。此项实验一旦取得成功，它将开辟人类生命工程的新纪元。

生物世界

任何人造生命都有可能演化成跟地球上现有生命形式完全不同的生命，成为无人类法控制的生物。按照达尔文进化论的观点，当今五彩缤纷的生物世界，都是由一个共同祖先即原始生命体演化而来。

最初的生命是如何产生的？

近50多年来，科学家们为了解开这个谜，一直进行“人造生命”的探索。

早在2001年11月21日，世界著名的基因大师、美国塞莱拉公司前总裁克雷格·文特尔就宣布开展一项新的研究，目标是利用人工合成的遗传物质，在实验室里制造一种在自然界中并不存在的新物种。文特尔的合作者包括遗传学家汉密尔顿·史密斯——1978年诺贝尔生理学或医学奖获得者——是一位公认的DNA操作高手。美国能源部也慷慨解囊，为他们的研究划拨了总额300万美元的资金。

克雷格·文特尔（左）和密尔顿·史密斯

火力发电排放污染

新研究计划拿生殖支原体作为研究对象，这种寄生在人体内却不引发疾病的细菌只有一条染色体，其中包含517个基因，是已知的基因组最小的生物。文特尔等准备首先将天然生殖支原体细胞内的遗传物质全部去除，然后合成出含有细菌生存所需最少基因数目的人造染色体。人造染色体最终将注入去除遗传物质的生殖支原体细胞，以进一步研究这种人造细胞能否存活与繁殖。

基因遗传学家表示，他们的研究纯粹是基础性的，不是彻底人工制造一个全新的生物，而是在更大程度上对一种对生命体的改造。他认为，这项研究可以从根本上加深对细胞生存最关键条件的理解。如果初步实验取得成功，他们更长远的设想，是不断为其添加新功能，比如分解火力发电厂排放的二氧化碳，或生产可用作燃料的氢等，从而为低成本、高效率制造生物能源找到一条新出路。据说，美国能源部之所以愿意掏钱，主要是看中了研究的长远潜力。

尽管专家们从这种新技术中看到了无穷的好处，但很多人对于它可能给人类伦理观念带来的冲击，以及人类最终可能失去对新物种的控制等问题感到担扰。因为任何人造生命都有可能演化成跟地球上现有的生命形式完全不同的生命，成为无法控制的生物。

对此，美国加利福尼亚大学分子生物学教授戴维·迪默却认为，人类制造的任何东西都不可能与那些在自然界中进化了30亿年的生物竞争。而且科学家们还在设计另一层保护措施：所有人造生命都将依赖自然界不存在的化学物质，这些关键性的化学物质一旦消除，人造生命便即死亡。因此，人造生命失控的风险极其微小。

知识解码

人类可能失去对新物种的控制

美国科学家正在制造具有工业和医学价值的“人造细胞”，这预示着人类探索人造生命迈出重要一步。克雷格·文特尔开启了合成生物学全面人工设计与合成基因组的人工生物系统开发新时代。

众所周知，要想成为一种生命体，就必须有一套生物系统来生成蛋白质，这是生命必不可少的特征之一。据报道，美国洛克菲勒大学的科学家将能够生产蛋白质的生物分子混合物悬浮在油中，形成微小的颗粒。然后，他们在这些颗粒外包裹住两层肥皂膜状的磷脂分子，像细胞膜一样将生物分子混合物颗粒包裹在其中。

经过观察发现，用分子膜包裹之后，生物分子持续生产蛋白质的时间比原来延长了一倍。为了进一步延长时间，科学家还在“细胞”中加入了一种细菌基因，这种基因可以控制生成一种名为α-溶血素的蛋白质。该蛋白质形状类似于桶，能够插入细胞膜形成小孔，环境中的营养物质便通过这些小孔进入“人造细胞”，自动补充制造蛋白质的原材料，这样，“细胞”就可以连续数日生成蛋白质。研究人员称，这种“人造细胞”可以像一个微型“工厂”，生成具有工业和医学价值的蛋白质。