造福人类的“生命瞬间转移”

文特尔正在完善一种技术，它可以让我们以电磁波的形式发送数字化的DNA密码，然后在一个遥远的地方用一种独特的方法来接收这些数字化的DNA密码，从而重新创造生命。从目前来看，“生命瞬间转移”技术的最新应用，可能是流感大暴发时的疫苗分发，或者用噬菌体疗法对付“超级细菌”。

LIFE AT
 THE SPEED
 OF LIGHT

我先是听到了刺耳的“咔嗒”声，然后那个人就消失了。我惊奇地看着挑战者。天呐！教授，你触动了那台机器了吗？

——阿瑟·柯南·道尔，《崩解机器》

许多最伟大的、最具革命性的想法，从登陆月球的火箭到隐身术，都已经被写进了神话、民间传说，当然还有科幻小说中去了。我们正在努力完成的一个创举也是如此。

我们试图根据我们自己对生命的软件的理解，远距离传输数字生命信息并创造出活的有机体，或者创造出活的有机体的组成元件，我们可以把它们从地球上的一个地方传输到另一个地方，或者从我们这个星球传输到另一颗行星，或者甚至传输到太阳系之外的更加遥远的星球。

瞬间转移，人类永恒的梦想

建造瞬间传输机这个设想已经由来已久了。把人或物体在一个地方拆解掉，然后在另外一个地方进行重新组合，这种想法是由于吉恩·罗登贝瑞（Gene Roddenberry，1921—1991）在20世纪60年代拍摄的电视连续剧《星际迷航》（Star Trek）而得以普及开来的。“斯科特，传送我吧。”这是剧中一句经典台词。不过，有意思的是，罗登贝瑞之所以要使用这个“传输机”，是为了解决他面对的一个非常棘手的问题：他缺乏足够的预算，无法在每个星期都要播出的电视剧集拍出飞船起降的画面，因此只能让飞船“呼”地一下，从这里传输到那里了。同样是在20世纪60年代，英国的电视观众也看到了《神秘博士》（Doctor Who）和博士的TARDIS（“time and relative dimension in space”的缩写，字面意思是“时间和空间上的关联维度”），那是一个蓝色的伦敦警察岗亭，它能够把乘客“传输”到任何时间和任何空间。

当然，瞬间转移的想法最早并非起源于《星际迷航》或《神秘博士》，事实上，很多世纪以前，这种思想就已经出现在各种文学作品中了。《一千零一夜》（One Thousand and One Nights）是一本民间传说故事集，它于伊斯兰黄金时代编辑而成，并于1706年以英文出版，在这本书中，精灵（神灵）能够把他们自己或者物体瞬间从一个地方运送到另一个地方。阿瑟·柯南·道尔（Arthur Conan Doyle）的小说《崩解机器》发表于1929年，它描述了一台能够拆解和重组物体的机器。许多幻想家和科幻作家一直都在探索瞬间转移，包括艾萨克·阿西莫夫的《如此美好的一天》（It’s Such a Beautiful Day）、乔治·朗兰（George Langelaan）的《变蝇人》（The Fly）、J.K.罗琳（J.K.Rowling）的《哈利·波特》（Harry Potter）和斯蒂芬·杰·古尔德的《心灵传输者》（Jumper）。虽然这些故事中所表现出来的瞬间转移纯属虚构，但是“量子隐形传输”（quantum teleportation）的概念却是非常现实的，这一概念由迈克尔·克莱顿在他1999年出版的小说《时间线》（Timeline）里介绍给广大读者，这部小说后来被拍成了电影。

量子隐形传输的概念当然还可以追溯到比这些小说更早的时期，在某种程度上说，它是在薛定谔两个最有影响的同行，对原子世界的理论（量子理论）的思想分歧的基础上产生的。这两位物理学家，一位是爱因斯坦，他不喜欢量子理论这种“奇怪的接受现实的方式”；另一位是尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885—1962），他是丹麦人，被称为“原子物理之父”。1935年，在争论过程当中，爱因斯坦在一个思想实验的帮助下，使量子理论一个令人费解的特点突显在世人面前，这个实验是他与同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky，1896—1966）和内森·罗森（Nathan Rosen，1909—1995）一起设计的。

他们首先注意到，量子理论不仅适用于单个原子，而且还适用于由原子团组成的分子。例如，包含有两个原子的分子能够用一个被称为波函数的数学表达式来描述。爱因斯坦意识到，如果你远距离地分隔开这些组成原子，甚至将它们放置于宇宙的两端，它们仍然能够用同一个波函数来描述。用专业术语来说，它们是相互“纠缠”的。半个多世纪以后的1993年，IBM的查尔斯·H.班尼特（Charles H.Bennett）和其团队认为，实际上在每一对纠缠原子之间都存在着一条“量子电话线”，不管相互之间隔着多远的距离，这条“量子电话线”都能够把一粒原子的所有细节（量子态）“瞬间转移”到另一粒原子上去，而无须知道它的状态。这也就意味着，未来或许可以制造出一种能够传送原子数据的传输机。后续的实验研究证明，这种可能性确实是存在的。就在我撰写这本书的时候，就出现了一个远距离量子隐形传态的记录，一个国际研究团队利用欧洲航天局设在加那利群岛的光学地面站重现了相隔143公里之外的一个光粒子的特点。这个实验让我们看到了在拉帕尔玛岛和特内里费岛之间的光粒子状态（即光子）的瞬间转移。

隐形传输（瞬间转移）还有另外一个巨大的潜能：它有可能使一种新型计算机（量子计算机）的运行速度和解决问题的速度比现在的计算机快上数百万倍。1998年，一个来自加州理工学院的团队报告了他们的一项实验研究成果，那是关于光束的量子态隐形传输的第一个实验证据。他们的量子态隐形传输是在单个光子之间、光子与物质之间以及单个离子（带电原子）之间实现的。随后，2012年，第一个宏观物体的隐形传输也实现了——这一物件大到足以让人的肉眼看到。这次传输发生在两个原子系统之间，每个原子系统都由大约1亿个铷原子组成，每个原子系统的长度大约为1毫米，它们由一条150米长的光纤连接着。这个研究团队是中国科技大学现代物理系微尺度物理学国家实验室的潘建伟教授领导的。这个研究团队告诉我们，这项技术可以用于在未来的量子计算机和网络之间传输和交换信息，从而催生了有关“量子互联网”的推测。

不过，尽管这些进展都给我们留下了非常深刻的印象，但是真正实现隐形传输（就像《星际迷航》中那样）仍然只是一个相当遥远的前景。在接受《科学美国人》杂志采访的时候，加州理工学院的H.杰夫·金布尔（H.Jeff Kimble）应邀澄清了关于隐形传输的最大误解（金布尔是隐形传输的开创者之一，他在1998年完成第一个隐形传输实验）。他指出“认为物体本身被传输，这是一个误解。我们不会把物质材料发送出去。如果我想要送你一架波音757，我可以把所有的零部件发送给你，或者我也可以送给你一张囊括了所有零部件细节的蓝图。送一张蓝图显然更容易。隐形传输是一个有关如何把一个量子状态（波函数）从一个地方发送到另一个地方的协议。”如果要成功地瞬间转移一个人，那么你需要有关他的原子的大约1032比特的信息。

但是，当然，正如金布尔所暗示的，你可以传送数字化的指令或软件。一个人类基因组大约只含有6×109比特的信息。我的团队正在完善一种技术，它可以让我们以电磁波的形式发送数字化的DNA密码，然后在一个遥远的地方用一种独特的方法来接收这些密码，从而重新创造生命。这是粒子类型的两个基本域之间的传输。我们现在已经知道，地球上所有生命都是基于化学物质的系统，这些生命系统中的每个结构成分——DNA、RNA、蛋白质、脂质和其他分子——都是由不同的化学元素（碳、氢、氧、铁，等等）的个体原子所组成的。这些元素和它们自身的构建模块或构件（例如，绕原子核轨道运行的电子和组成原子核的夸克）统称为“费米子”（fermions）。费米子得名于伟大的科学家恩里科·费米（Enrico Fermi，1901—1954），这个术语是由英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac，1902—1984）创造出来的。希拉克“因发现了原子理论中非常有用的新形式”而与薛定谔一起分享了1933年的诺贝尔物理学奖。另一类则统称为玻色子，它包括希格斯粒子和所有传递作用力的粒子，尤其是胶子、W和Z玻色子、光子以及电磁波类物质。费米子和玻色子之间的主要区别在于一种被称为“自旋”（spin）的量子特性。按照定义，玻色子是整数自旋的，而夸克、电子和其他费米子都是半整数自旋的。这就导致它们在行为上出现了巨大的差异。费米子与所有化学过程有关，因而也与生物学有关。

当我们能够通过对一个基因组进行测序来读取它的遗传密码时，我们也就是在把DNA的物理代码转换为数字代码，而这个数字代码能够转变为可以实现光速传输的电磁波。哈佛大学生命起源学会主任迪米塔尔·萨塞罗夫（Dimitar Sasselov）是把我的注意力引向这个技术的人，对于这种技术是如何将粒子系统的两大领域联系起来的，萨塞罗夫这样说道：

正如我们所知道的那样，在历史上，我们这个星球上的生命看起来源于一种费米子现象——它的所有结构都是由费米子构成的。在DNA分子中被编码的信息都是在费米子的帮助下被编码的，也是在费米子的帮助下被读取出来的。我们今天所拥有的用数字形式来表示信息、并利用电磁波进行传输的能力（以光速！），标志着从单纯的费米子到玻色子的生命转变。

在合成基因组公司（Synthetic Genomics, Inc, SGI）中，我们已经能够把数字化的DNA编码输入到一个软件程序中了，让它自动地“想清楚”如何完成在实验室中重新合成序列的工作。在这种重叠50～80个碱基对的寡核苷酸的自动化设计程序中，还可以添加独特的限制性位点和水印，然后将它们输送到集成的寡核苷酸合成器中。这个合成器将会快速地生产出寡核苷酸，它们会利用我们的吉布森组装机器人自动地合并，然后把它们组装起来。

虽然与40年前相比，寡核苷酸的合成已经能够以显著提高的精确度进行了，但是在这个过程中仍然很容易出错，会产生一小部分意料之外的DNA序列，差错的数量则通常与需要合成的DNA片段的大小相关。在组装标准寡核苷酸的过程中，合成错误率通常为每千个碱基对中有一个错误。这是一个意料之中的错误率，如果在组装过程的初期，寡核苷酸的错误不被剔除掉（例如，在克隆和测序阶段或在使用纠错酶的时候），那么即使不是全部都有错误，大多数含有10 000个以上的碱基的DNA片段也将都包含错误。为了解决这个基础性问题，我们已经想出了一种新方法，它应该能够为高精确度的DNA合成铺平道路。

随着寡核苷酸的组装以及聚合酶链式反应的扩增，我们能够利用一种叫作核酸内切酶的酶把任何含有错误序列的DNA删除。这种特殊的生物机器人是我们通过使用一种叫作“原型”（Archetype）的软件系统发现的。这个软件系统是由合成基因公司的托比·理查德森（Toby Richardson）和他的团队为存储、管理和分析生物序列数据而开发出来的。“纠错”过程开始于变性和退火被聚合酶链式反应扩增的DNA，结果使得它形成了双链DNA。少数的双链DNA分子在每个位置上都包含正确的DNA序列，因而被核酸内切酶所忽略。然而，在DNA中还会出现替代物、缺失部分或者插入物，所有这些有错误的DNA以及被称为异源双链DNA的碱基对错配的双链DNA，都会被核酸内切酶识别出来并裂解。

“完整的分子比经过内切酶消化的DNA能够更有效地扩增”这个事实意味着，我们可以使用第二个聚合酶链式反应来提高无错误的合成基因片段的百分比。这种方法通常会形成更低的错误率，其合成碱基对的错误率通常低于1/15 000，并且通过执行额外的几轮纠错过程能够进一步提高正确率。在目前这个阶段，我们已经生产出了足够精确的DNA分子，它能够凭借自身的力量制造出最终产品，比如DNA疫苗（DNA被引进体内细胞以制造疫苗蛋白）。它的潜力几乎是无限的。利用合成DNA，我们最终将有可能创造一切形式的生命。

运用由马歇尔·尼伦伯格在20世纪60年代首创的一种体外无细胞蛋白质合成技术，合成DNA构件现在已经能够在自动化系统中生产蛋白质了。只需把来自噬菌体或病毒的DNA引入到一个受体细菌细胞内，它便会在受体细菌细胞内接管该细胞的蛋白质和DNA合成机器，从而制造出更多的自身的副本。

快速提供疫苗

有的时候，当一种像“生物传送器”这样的技术正在从一个想法具体化为某种现实的东西的过程中，我们是很难看清楚它破土而出的潜力的。激光就是如此，起初，它是被作为一种寻找问题的工具来看待的。但是，我认为我们现在已经可以感知到，将生命的软件转化为光的这种能力将会给我们的未来带来巨大的影响。试想，当我们有能力在不到1秒的时间内就可以把DNA代码发送到地球上的任何地方、然后用它来治疗大大小小的疾病时，各种各样的可能性大门都将打开。这种信息可以用来编码一种新的疫苗、一种蛋白质药物（如胰岛素或生长激素）、一种噬菌体以对抗因抗性菌株所引起的感染，或一个新的细胞以生产治疗剂、食物、燃料或清洁的水。当这种技术与家用合成器结合在一起时，它将可以为每一个人提供量身定制的治疗方案，这样的治疗方案能够充分适应患者的遗传特征，实现副作用最小化。

就目前而言，最显而易见的直接应用是，在出现流感大暴发的情况下分发疫苗。最近宣布的一次流感大暴发是在2009年6月11日，当时世界卫生组织宣布甲型H1N1流感（猪流感）在时隔40余年后又一次重新开始大流行，这引起了旨在解决重大公共健康威胁的各种组织的反应。结果，国际上出现了有史以来最迅速的全球疫苗开发竞赛。在短短的6个月内，数百万计的疫苗被生产出来了，它们被分发到全世界各地。这一事件也证明了，全世界的公共机构和私人机构是能够被快速动员起来的，而且它们有能力相互合作。

但是，尽管有了如此空前快速的反应，效果仍不尽如人意（速度不够快）。大量的有效疫苗都是在病毒感染出现高峰之后的两个月才被送到普通人手中的，这就意味着大部分人在高峰期已经暴露于高传染性的病原体之下了。虽然死亡率相对较低，但是由于数量庞大的人口暴露在病毒之下，还是导致了大量的死亡事件。大约有250 000人死于甲型H1N1流感，而且，由于这种流感的性质，其中死亡的大多数人都是年轻人。假如这种病毒更具致病性，且疫苗供应的时间更为滞后一些，那么有可能会导致更加严重的健康危机。在受到感染的城市，很有可能会出现人群冲突、秩序混乱和社会崩溃的灾难性后果。

在一个世纪之前，就曾发生过这种严重的致病性流感病毒横扫全球的事情，它导致了一个极其巨大的灾难性后果。在1918—1920年的流感大暴发期间，全世界的死亡人数（大约为5 000万）比在第一次世界大战期间死亡人数还要多。有一位医生表示，这是“有史以来所见到过的最恶毒的肺炎”。由哈佛大学的克里斯托弗·默里（Christopher Murray）所带领的一个研究团队利用那次流感大暴发期间的死亡数据进行了模拟研究，他们在发表于《柳叶刀》杂志（Lancet）上的一篇文章中预测，如果类似的流感大暴发发生在今天，那么在一年内死亡人数将会达到6 200万（其中96%来自发展中国家）。近期发生的甲型H1N1流感大暴发事件，也是一个非常清晰的信号，它告诉我们，迅速向人们派发疫苗是至关重要的。

合成基因组公司和J.克雷格·文特尔研究所已经宣布，它们与诺华公司（Novartis）签订了一项为期三年的合作协议，运用合成基因组学工具和技术来加速生产流感种子菌株。种子菌株是病毒的发酵剂，它是一种活的基准病毒，是生产出更大量的疫苗病毒的基础。这次合作也得到了美国生物医学高级研究与发展管理局的支持，该机构还专门为此颁发了一个奖项。我相信，这种努力最终能够让我们更有效地应对季节性流感和流行性流感的暴发。

目前，诺华公司以及其他疫苗公司依靠世界卫生组织来鉴定和发放种子病毒。为了加快进度，我们使用了一种叫作“反向疫苗学”的方法，这种方法是由诺华公司的里诺·瑞普莱（Rino Rappuoli）提出的，它最早用于脑膜炎球菌疫苗的开发。其基本思路是，流感病毒完整的致病基因组能够通过使用生物信息学方法筛选出来，在此基础上，我们就可以识别和分析它的基因了。接下来，我们可以选出特定的基因，对付作为疫苗目标的特定的属性，如外膜蛋白。这些蛋白质要通过免疫反应的常规测试。

我的研究团队已经对自2005年以来出现过的全部有代表性的多种流感病毒进行了测序。我们还完成了对许多从人流感中分离出来的流感病毒的完整基因组的测序工作，我们也有选择地对一些来自禽类和非人类的有可能会演变为发生流感大暴发的流感菌株的基因组进行了测序，并获得了许多非常有价值的信息。这些菌株已被选定用来代表具有广泛的地域和年代分布的许许多多亚型。在通力合作下，诺华公司和合成基因组公司已经建成了一个构建合成种子病毒的“银行”，一旦世界卫生组织确定了会传染的流感病毒菌株，种子病毒随时都可以投入生产。这项技术可以将生产疫苗的时间整整缩短两个月，在流感大暴发时，这种能力将会给我们带来非常重大的利益。

标准的流感疫苗制造是一个非常耗时的过程。菌株选择是一个严重影响速度却十分重要的步骤——世界卫生组织和总部位于亚特兰大的美国疾病控制中心先确定传染性的病毒株，并就创造特定的流感种子病毒而提出全球性的建议；另一个对疫苗生产速度有严重影响的步骤是生产出实际产品所需的时间。传统的疫苗生产方法依赖于在已受精的鸡蛋中培养出来的病毒。整个生产过程大概需要35天的时间，其中包括测试和分发基准病毒、在鸡蛋中与标准基准病毒共同感染以及分离和纯化种子疫苗。与此形成鲜明对照的是，利用最新的合成生物学知识，采用基于细胞的疫苗生产技术，并且通过引入激动人心的“数字—生物转化”的概念，我们和诺华公司在不到五天的时间里就制造出了质量更好的疫苗。

这种疫苗是建立在病毒包膜蛋白血凝素（HA）的基础上的，它能够形成使流感病毒附着在目标细胞上的“钉子”。这种疫苗还基于神经氨酸酶（NA），它能够在病毒粒子的表面上形成球状的结构，并促使它们释放出受感染的细胞，从而使病毒得以传播。一旦高精确度的合成蛋白血凝素和神经氨酸酶基因被生产出来，下一步要做的就是，通过在流感基因组中把蛋白血凝素和神经氨酸酶与其他少数基因结合起来的方式来“拯救”完整的疫苗种子了——我们已经有了相应的软件，可以制造出所需的11种蛋白质。2012年，经美国食品和药物管理局的批准，我们使用一种反向遗传学方法，用诺华公司的巴西马—丁达比狗肾（Madin-Darby canine kidney, MDCK）细胞系取代鸡蛋来制造流感疫苗。具体流程是这样的，先让细胞感染上编码了相关基因的线性合成“卡带”。流感病毒在转感染后的72小时内就能在细胞培养介质中被检测出来。然后，符合我们要求的病毒株就能够被分离出来，进一步增殖，并最终被用作疫苗种子。

2011年8月29日，我们进行了一次概念验证测试，目的是证明这种合成疫苗种子生产流程的极强能力和高度稳健性。时间的计算从由美国生物医学高级研究与发展管理局和美国疾病控制中心提供的低致病性北美H7N9禽流感流感毒株中的蛋白血凝素和神经氨酸酶基因序列到位开始，寡核苷酸的合成是在当日上午8点开始的，到9月4日中午就结束了，从整个过程的开始到种子病毒被制造出来正好经过了四天零四小时。而且，在最初这个概念验证测试完成后，同样的过程已经成功地“复制”了好多次，涉及多个流感病毒株和亚型，包括H1N1、H5N1和H3N2。直到我写的这本书杀青为止，我们还没有遇到过什么菌株是不能以合成的方式被组装和生产的。而且，更加可喜的是，2013年，我们的DNA组装机器人在没有任何人工干预的情况下制造出了H7N9基因。

合成流感疫苗项目目前已经进入了下一个重要的发展阶段。快速而有效的疫苗种子的生产，再结合对病毒演化发展的理解，为预防流感的大暴发的发生提供了一个全新的机遇。流感病毒是动态性的，不断地发生着变化，这种动态性和变化性是通过以下两种基本形式表现出来的：抗原漂移和抗原转变。抗原漂移通常是指由基因组发生突变导致的抗原小幅度的、渐进的变异，是通过在含有制造主要表面蛋白的血凝素和神经氨酸酶的两种遗传物质的基因发生点突变而引起的。抗原转变是指那种产生新型流感病毒的突然的、重大的变化，它或者是通过动物（比如猪或鸟类）直接传递给人类，或者是通过基因混合再感染人类——例如，人流感A型和动物流感A型病毒的基因出现混合后，会通过一种叫作基因重组的过程“创造”出一种新型的人流感A亚型病毒。通过监测和分析流感病毒株的转变和新出现的菌株，我们就可以开始准备预测菌株，而不用等到流感病毒大暴发的时候才仓促地进行应对了。对于那些具有潜在威胁的菌株，我们可以提前制造出疫苗种子，并且把这些疫苗种子保存在病毒种子库中，需要时随时可以拿出来使用就可以了。

为下一次疾病的大流行做好充分准备正在顺利地进行中。当前，一个包括过去的流感序列数据、抗原变异和菌株生长特性的全面数据库也正在建设当中，在这个数据库当中，现在已经拥有了几乎66 000个菌株序列和33 000个成对的抗原数据。我们还开发出了一些先进的算法，它们被用来预测一些随时间而发生变化的循环病毒亚群，进而预测出最好的疫苗（和候选疫苗）菌株，而且能够提高菌株选择时的预测可靠性。

通往先进的、基于合成的流感疫苗的另一个关键步骤是，利用大规模生产来整合和扩大合成疫苗种子，使疫苗能够进行商业化生产。诺华公司正在开始让它变成现实——这将对我们应对全球性流行疾病的方式产生巨大的影响。随着速度、易用性和准确性的提高，利用合成技术能够高效率地生产出高效力的流感疫苗种子，因此，对未来可能发生的流感大暴发，我们将不仅能够更快速地做出反应，而且还能提供更加可靠的流感疫苗。

快速提供噬菌体

虽然疫苗是预防流行病的最佳手段（而且合成生物学还能帮助我们使之变得更加有效），但是我们现在仍然面临着另一个重大威胁——感染。作为人类与疾病抗争的最重要的武器之一，抗生素现在已经迅速地变得力不从心了。英国微生物学家亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming，1881—1955）于1928年偶然发现了青霉素。随后，澳大利亚的霍华德·沃尔特·弗洛里（Howard Walter Florey，1898—1968）、德国的恩斯特·鲍里斯·钱恩（Ernst Boris Chain，1906—1979）和英国生物化学家诺曼·希特利（Norman Heatley，1911—2004）开发出了一种大量生产这种药物的方法，自那之后，我们人类与微生物之间历史悠久的战争终于“停火”了。弗莱明、弗洛里和钱恩因为他们影响深远的成果而分享了1945年的诺贝尔医学奖。在过去的80年里，抗生素已经被广泛用于治疗各种曾经致命的传染性疾病，挽救了数百万人的生命，并被广泛使用于外科手术中——请你想象一下，在没有抗生素的情况下摘除阑尾，你敢不敢？更不用说进行心脏、肾脏或臀部手术了。

自从问世以来，抗生素通过与它们各自所针对的目标细菌进行抗争，这个药物大家族对延长人类的寿命发挥了巨大的作用，但是，自从青霉素被广泛用于治疗在第二次世界大战中的伤兵之后不久，细菌就开始演化了——它们开始“学会”了抵御这种通用的抗生素的方法。受到艾弗里、麦克劳德和麦克卡提于1944年发表的认定DNA为“转化因子”的开创性文章的启发，威斯康星大学的乔舒亚·莱德伯格设计了一个非常精巧的实验，深入细致地观察了细菌是如何摆脱某种特定的抗生素的。乔舒亚·莱德伯格是与他的妻子埃丝特·莱德伯格（Esther Lederberg）一起进行研究的，他们发现，细菌菌株对青霉素的耐药性在青霉素作为一种药物之前就已经自然存在了，这个重要成果以及其他一系列重要成果，使莱德伯格最后获得了诺贝尔奖。

抗性菌株使用范围很广泛的多种蛋白质来中和抗生素的作用。四环素和链霉素等抗生素把自己绑定到核糖体的特定区域以破坏蛋白质的合成，但是微生物已经演化成功的一种抗药性的方式恰恰就是，制造出它们无法绑定药物的核糖体。有些微生物已经演化出了“外排泵”（efflaXpump），这是一种蛋白质，它能够在抗生素发挥作用之前把它驱除出去。一些耐药性菌株把自己隐藏在防渗透细胞膜中。其他微生物甚至能够“吃”掉抗生素。对付抗生素的机制五花八门，有些甚至已经可以称为“抗性酶”了。

由于细菌分裂的速度是非常快的，所以任何一个耐药菌株都能够快速就控制一个种族。它们还利用另一种机制来传播它们的耐药性：它们能够以一种叫作“横向基因转移”的过程交换自己的DNA软件，这个过程也叫“水平基因转移”。莱德伯格揭示了，它们能够通过一种细胞与细胞的接触或桥状连接的方式来做到这一点；而且它们是在分子水平上交换含有几种抗生素抗性基因的质粒的。如果这种转移成功了，那么就会诞生一种超级病菌。

耐药菌的出现和演化或许是不可避免的，但是真正不幸的是，它们主要是“感染控制”的匮乏所引起的，其中大部分都可以归因于卫生状况和洗手习惯（不讲究卫生和不洗手引起感染）。另外，这种抗药性的产生也是由于滥用抗生素所引发的，滥用抗生素的例子包括：在农牧业中滥用抗生素；在治疗如普通感冒这样的病毒性感染时滥用抗生素；在治疗过程当中用药不足；在肥皂或其他同类日用品中过度使用抗生素。如果这还不够糟糕的话，那么更糟糕的情况是，目前的市场状况无法激励制药公司去努力开发新型的抗生素。抗生素类药物不像心脏类药物和其他药物一样，它们用药时间只能持续大约一个星期。这种无情的耐药性的产生意味着抗生素类药品注定在使用了一段时间后会变得无效，因此一种新的抗生素的保质期是非常有限的。

这是达尔文进化论的一个极具说服力的例子，当然，这同时也是一个令人沮丧的消息：抗生素的黄金时代可能即将结束了。我们可以举出无数个与耐药性问题相关的例子：在医院病房里，一个“怎么赶也赶不走”的死缠烂打的“家伙”是耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌，这种细菌非常顽固，甚至对万古霉素也有完全的抗药性，而万古霉素常常被标榜为是治疗的最后一道防线。在过去的几年里，这种因“超级细菌”而引发的恐惧已经一次又一次表现了出来。我们可能会面临回到一个抗生素之前的时代，那时人类死亡的最大原因是由细菌引起的疾病。地方医院是感染细菌的温床，但是如果你真正想治愈自己，那么医院就应该是你最后才愿意去的一个地方。

对此，基因组学能够起到很大的作用。我们可以绘制出一幅超级病菌崛起的图谱，从而了解到它是如何对抗抗生素的，并找到新的目标药物。我们也可以借助于合成基因组学来生产出替代抗生素的药物。我们目前正致力于研究的一种方法是，重新起用一种被称为噬菌体疗法（phage therapy）的抗菌治疗方法，在这种疗法中，针对某一特定细菌菌株的噬菌体被用来杀死微生物。每隔几天，地球上就会有一半的细菌被噬菌体杀死。我们真的能够借助于它们的力量来对抗超级细菌吗？

噬菌体的数量比细菌多出10倍，而且是早在100年前就已经被发现了（很可能是由两个人分别独立发现的）。英国科学家弗雷德里克·特沃特（Frederick Twort，1877—1950）在1915年首次把噬菌体识别了出来。特沃特是一个特别博学的人，他能够制作小提琴、收音机以及许许多多其他东西，他还试着培育出了英国最大的甜豌豆。法裔加拿大微生物学家费利克斯·迪海莱（FéliXd’Herelle，1873—1949）也在1917年谱写了一个关于噬菌体的故事，他还首次使用了噬菌体（“细菌的捕食者”）这个术语来描述它们。不过迪海莱认为，特沃特所描述的现象是一种完全不同的情况。迪海莱猜测，噬菌体在治愈痢疾方面发挥了重要作用，他认为噬菌体有潜力去对抗感染，并于1919年进行了第一次人体试验。为了验证噬菌体的安全性，迪海莱和他的同事在自己身上注射了大剂量的噬菌体制剂，随后，他们把稀释后的噬菌体制剂注射进了一个患有严重痢疾的12岁男孩的身上，这个男孩在几天内就痊愈了。

迪海莱的研究有助于解释一个令人费解的现象：水里到底藏了什么东西？比如说，在印度，从污水横流的恒河和亚穆纳河中发现的那些东西是不是在为霍乱提供庇护所？现在答案已经很明确了。在每一滴河水或污水当中都包含着数以百万计的噬菌体。到了20世纪30年代，在欧美一些公司生产出噬菌体鸡尾酒来治疗许多感染性疾病。当时，在这个领域，最出色的实验室有两个，一个是在法国的迪海莱实验室，另一个是他于1923年在格鲁吉亚苏维埃共和国的第比利斯与当地机构联合创办的实验室。该实验室是以它的联合创始人、格鲁吉亚噬菌体研究专家乔治·艾莱瓦（George Eliava，1892—1937）的名字命名的，即艾莱瓦噬菌体、微生物学和病毒学研究所。

到了20世纪30年代中期，虽然经历了热烈炒作，但是希望噬菌体疗法能够终结细菌性疾病的愿意最终未能实现，而且由于缺乏标准化的材料，任何有关它的疗效的证据都被蒙上了阴影。在这十年中，美国医学协会对这种治疗方法进行了猛烈的批评，但是由于它对处于生死边缘的人们所做出的贡献，一些基础研究人员继续痴迷于对噬菌体的研究。其中一个重要的标志是，阿尔弗雷德·赫尔希和萨尔瓦多·卢里亚（Salvador Luria）与马克斯·德尔布吕克甚至一起成立了“噬菌体教堂”，专注研究噬菌体的生物复制与遗传机制。

在第二次世界大战中，噬菌体疗法也曾经在苏联军队和德国军队中使用，但是随着抗生素的兴起和战争的结束，在西方，它在战后都遭到了质疑。德尔布吕克“教堂”的一位门徒冈瑟·斯腾特（Gunther Stent）在1963年写道：“作为医学史上的一个‘古迹’，噬菌体疗法如今已经被公认为过时了。但是，为什么这些噬菌体在体外时，其抗菌性表现为有剧毒的，而在活的有机体内却被证明是无毒的，这一点从未得到充分的解释。”

一个原因是，噬菌体的历史——它与你所能想到的许多东西的历史一样——“充斥着政治性、个人意气之争以及许多其他不为人知的冲突”。但是，更加重要的一个原因是，它还必须等待时机：只有当更现代的科学方法出现之后，才能改进这种治疗方法。幸运的是，到1991年，艾莱瓦研究所仍然为新独立的格鲁吉亚提供噬菌体，一些重要的研究工作也由在波兰弗罗茨瓦夫的卢德维克·赫兹菲尔德免疫学和实验疗法研究所的科学家们坚持了下来。如今，当微生物继续随心所欲地进行变种与抗生素展开军备竞赛时，许许多多研究人员，也包括我的研究团队，正在重新评估利用噬菌体来对抗细菌感染的现实可能性。

传统的抗生素会通过杀死我们身体内大量的“友好”细菌而导致附带损害，比如，它们会杀死那些能够让我们更好地消化食物的细菌，而噬菌体却与这些传统抗生素不一样，它很像“分子智能炸弹”，能够精准地只针对某一个或几个菌株或细菌亚型。我们现在已经拥有了这些微生物搏杀机制的详细图片，从中可以看出它们是如何攻击因外科手术而感染上的某一类细菌的。就拿T4噬菌体来说吧，这个领域中的许多先驱者，从马克斯·德尔布吕克和萨尔瓦多·卢里亚，到詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克，都曾经对它进行过研究。在它的基因组的169 000个碱基中，包含了所有感染和破坏微生物大肠杆菌的必要指令。

通过测量得知，T4噬菌体大约为90纳米宽、200纳米长，与其他的噬菌体相比，它显得更大一些，而且看起来像是一个微小的空间着陆器，用“腿”吸附于特定的受体大肠杆菌细胞的表面上，它还有一个中空的尾巴，可以把它的软件注射到细菌中去。我们最近才发现，T4噬菌体能够利用一个“像钢铁般坚硬的尖尖的长矛”来刺穿细胞膜。虽然被注入的DNA与它的宿主完全不同，但是用来编码的语言是相同的，所以目标细菌会执行指令来制造出一个噬菌体，并在这个过程中杀死自己。在制造了大约100～150个噬菌体后，细菌就“大暴发”了，从而释放出一大群新制造出来的噬菌体到周围环境中。

与对抗生素产生抗性类似，针对噬菌体，细胞也会发生变异，从而得以存活下来并发展成为对噬菌体有抗性的细胞。人类能够通过血液流动快速地清除噬菌体。但是噬菌体的出现确实可以成为抗生素的相当有意思的替代物。迄今，那些已经在治疗中被使用过的噬菌体都是从现实环境中分离出来的，包括从污水中分离出来的噬菌体，受科学技术发展水平的限制，以往我们只能利用天然噬菌体。然而，随着我们新的DNA合成和组装工具的出现，我们每天都能够设计并合成数以百计的新的噬菌体，或者合成5 000多个不同序列的新的噬菌体变种。有了这个独特的能力，我们将能够测试并实现迪海莱的梦想。

有了这些技术，我们就可以快速而完整地走完设计噬菌体的整个周期。从隔离到表达、从分析到让它演化，再到建成一个具有最佳治疗效果的噬菌体资料库，最终达到供临床使用并战胜超级细菌的目标，所有这一切都将变得非常迅捷。正如我们研究phiX174的过程中已经证明的那样，感染选择——最可能繁殖噬菌体的目标细菌，也是最适合用噬菌体来感染它的——是一个非常强大的工具，它能够针对某种特定的性质极具针对性地、高效地筛选出新合成的噬菌体。

也许在不久的将来，我们就能够对来自个体病人的传染性病原体进行测序，以识别出目标细菌，然后迅速设计出量身定制的噬菌体疗法了。利用我前面所描述过的远距离传物技术，新的噬菌体能够被即时地送达病人体内、治疗中心或医院。合成的噬菌体也可以被设计成具有最大的效果，例如，它们可以被设计为专门针对超级细菌内的蛋白质和基因回路，而且不用去处理那些单独使用的或与抗生素联合使用常规药物就有效的细菌。我们相信，我们能够制造出被称为“溶素”（lysin）的更强大且更强有力的“杀戮机器”，它能够帮助噬菌体从受感染的细胞中“破体而出”。还有一种叫作PlyC（链球菌C1噬菌体溶素）的溶素能够比漂白剂更迅速地杀死细菌，它由9个蛋白零件所组成，这些蛋白零件组合成一个飞碟的样子，利用位于飞碟一侧的8个独立的对接部位把自己锁定在细菌的表面。PlyC的两个“弹头”可以穿过细胞壁，从而杀死细菌，释放出噬菌体。溶素已经被开发出来控制范围广泛的革兰氏阳性病原体，比如金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌、粪肠球菌、屎肠球菌、炭疽杆菌以及B组链球菌。

由于噬菌体有很多特殊的性质，因此人们也希望它们是安全的。2006年8月，美国食品及药物管理局批准在肉类的表面上喷涂噬菌体试剂，专门针对单核细胞增多性李斯特菌，这种方法是由Intralytix公司所创造的。第二年，英国伦敦的皇家国家眼鼻喉医院对一个耳朵被感染了绿脓杆菌的患者（早期中耳炎患者）临床使用了噬菌体疗法，结果表明，这种疗法是有效的。

利用新的合成噬菌体来治疗耐药菌感染的潜在价值很可能很快就会成为现实，因为在合成基因组学和技术领域内，开发的步伐仍然在不断加快，而且几乎能够即时地传送遗传信息。但是，我们需要强调现代科学方法的严谨性，以便让噬菌体疗法脱离过去的伪科学性。这种治疗很可能会引起争议，因为噬菌体制剂是“病毒的鸡尾酒”，它们是有可能繁殖和演化的。毕竟它们也有“不光彩”的历史，曾经通过用基因武装细菌的方式导致了某些疾病，比如与白喉有关的细菌，所以必须认真细致地进行安全认证。不过，我认为，当这种方法开始显现出成功的希望时，比如在兽医学中或在治疗像痤疮这样的常见疾病明显见效后，这种担忧会迅速减少。

为了使遏制传染性疾病的可能成为现实，我的研究团队正在测试发送和接收DNA软件的方法。美国航空航天局为我们提供了资助，并允许我们在它横跨美国加州、内华达州、犹他州和亚利桑那州的试验场地莫哈韦沙漠进行实验。我们将通过使用J.克雷格·文特尔研究所的移动实验室来完成这些实验。这个移动实验室将配备有土壤采样设备、DNA分离和DNA测序设备以及记录和测试所需要的所有设备。到时候，这个移动实验室将能够自动隔离土壤微生物，并对它们的DNA进行测序，然后利用一个被我们称为“数字化生命传送器”的设备将信息发送到云端。

我毫不怀疑，这种技术能够发挥重大作用。在过去的十年中，我们一直在全球各地进行远程采样，收集更原始的样本，大部分工作都是由“魔法师II”号探险队所完成的。这个探险队是以我用于全世界海洋航行的游艇命名的。我们每隔200英里就进行样本的采集，目前记录的海上航行距离已经超过了80 000公里。如果我们拥有了上面提到的那种技术，那么我们就有可能边航行边测序了。而现在，由于受实验室测序技术的限制，即使在向自己的实验室传送样本时，我们也不得不依靠联邦快递和UPS。

与我们正在建造的“数字化生命传送器”构成互补的，是我们正在建造的一个“接收器”。利用这个“接收器”，接收到的DNA就可以重新复制出来。目前，这个设备拥有许多五花八门的名称，包括“数字化生物转换器”“生物传送器”以及《连线》杂志的前主编克里斯·安德森（Chris Anderson）所偏爱使用的“生命复制器”等。这也就意味着，以光的速度创造生命已经成了一场新的工业革命的一部分。我们将会看到，由于3D打印技术的发展，制造业将从过去的集中式工厂制造转变为未来分散的、家庭式的制造。现在，3D打印技术正在被用于把胚胎干细胞安装进组织中以促进骨骼的生长，它还被用于建造飞机，甚至通过“混凝土打印”建造完整的建筑物。确实，为什么还要专门准备一个堆满了零部件的存货仓库呢？因为只要有一个虚拟的仓库，就可以在当地实现按需打印了。也许有一天，我们将会看到，每个人都能够制造他们所想要的所有产品，从门把手到智能手机，无一例外，甚至可能还包括下一代3D打印机本身！或许不久之后，你就可以利用智能手机为你的洗衣机、电视机或其他任何家电出故障的部分拍个照，再支付一点许可费，然后就可以在家里打印出一个一模一样的零部件来了。这样一来，消费文化的基础——购物商场和工厂——将会变得越来越无关紧要了。

在这种情况下，关键的经济考虑将是原材料以及知识产权的成本。至于这样做的好处，我认为最具革命性的可能是使用专门的打印机制造生物。当前，我们所能制造的“生物”仍然只限于蛋白质分子、病毒、噬菌体以及单一的微生物细胞等。但是，这个制造领域将会非常迅速地转移到更复杂的生物系统。目前已经出现了家用的3D打印机，许多研究机构和厂商已经在考虑使用改装后的喷墨打印机来打印细胞和器官。这是一个非常具有魅力的领域，它的工作方式将是，先按照血管或人类器官的形状生成一个结构矩阵，然后一层一层地将活的细胞打印上去。无论我们最终把这些设备命名为什么，我相信，在未来的几年内，我们将能够把数字化的信息转换为活的细胞，然后再把这些活的细胞转变为复杂得多细胞生物体，或者“打印”成三维的功能性的组织。打印生物体仍然有待时日，但是很快就会成为现实的可能。我们正在朝着一个无疆界的世界前进，电子和电磁波将会把数字化的信息传送到这里或那里以及任何一个地方。而在这些“信息波”的基础上，生命将会以光的速度移动。