人造生命的技术难题和伦理安全挑战（上）

■ 李大可

人造生命迈出关键一步

2010年5月20日，美国著名分子生物学家克雷格·文特尔领导的科研团队在《科学》杂志上发表论文，宣称他们利用人工合成的基因组，创造出世界上第一个人造细胞，取名为“辛西娅”。消息一出，全球媒体纷纷对这个神奇细胞进行大幅报道。这个标志着人类“第二次创世纪”的重要尝试，更被赋予了“人造生命”的美称。

“辛西娅”是一种最小、最简单的单细胞生命——支原体。支原体是一类已知的可以自由生活的最小生物，也是最小的原核细胞。与细菌相比，它们的突出特点是没有细胞壁。尽管“辛西娅”能否称得上人造生命仍然众说纷纭，尽管“辛西娅”的产生仍然没有脱离遗传物质从一种生物细胞转入另一种生物细胞的俗套，但是其诞生却是人造生命征途上最重要、最关键的一步。

“辛西娅”的诞生，固然需要匪夷所思的复杂技术。但是在文特尔的表述下，整个过程却出人意料的简单。首先，他们选取了一种蕈状支原体，对这种支原体的基因组进行测序，以了解其DNA碱基的排序。然后，根据这种自然生命碱基的排序，对一个个碱基进行人工排序，从而组建人造基因组。最后，将这种人造基因组移植到另一种去除了遗传物质的山羊支原体中。在人造基因组的驱动下，新细胞开始分裂和增生，山羊支原体逐渐被人造基因组控制，最终成为一种自然界原本不存在的“人造细胞”——“辛西娅”。

实验原理听起来很简单，但操作起来却是非常的艰难。数十名大牌科学家组成的精英团队，用了近15年的时间、耗资4000多万美元，经过无数次失败，才最终完成此项工作。

“辛西娅”的前世今生

回顾文特尔团队研制人造细胞的历程，这项工作早在1995年就开始了。2002年，他们破译了生殖支原体的基因组，这些“小东西”只有一条染色体，仅仅包含517个基因、58.297万个碱基对。而我们人类，每个细胞里都有23对染色体、30多亿对碱基、2万来个基因。

文特尔和史密斯研究小组在完成生殖支原体基因序列的测定之后，试图在实验室中重建这种细菌的基因组。但是，完整地合成生殖支原体的基因组是一项艰难的挑战，因为它们的DNA长链非常容易断裂。为了解决这个难题，研究者们首先由获取生殖支原体基因组的原始排序开始，然后在实验室里将核酸碱基逐个累加，制造出较短的基因片段。这些基因片断由大约6000个碱基组成，其中的一些片段还包含有“水印”。当然，这里的“水印”，并不是说你把一个细菌正对着光观察，它身上会显现出某个特殊的图案。而是用加密的方式，把一段信息编进了合成的基因组中的某处。然后，用一种酶把DNA片断连接起来，使得DNA变得越来越长，直到其长度达到整个基因组的1/4。最后，将这些1/4基因组长度的DNA链插入酵母。酵母通过复制和组合，使这些片段成为一个完整的染色体。2008年初，研究人员对他们新组建的生殖支原体基因组进行了测序，结果表明，除了“水印”部分外，这个人造的生殖支原体基因组与自然的生殖支原体基因组一模一样。

当时许多人猜测，这种基因组或许能够马上用来激活细胞，制造新的生命体。但是，这种特定的细胞类型，并不是理想的研究对象。其中一个问题就是，生殖支原体的生长速率极端的慢。对于每一项实验，往往需要一个多月才能得到结果。

此时，由克雷格·文特尔研究所的丹尼尔·吉布森领导的另外一个研究小组开始寻找替代实验对象。他们最终选取了体积比生殖支原体大、生长速度比生殖支原体快的蕈状支原体。蕈状支原体的基因组只有108万个碱基对。研究人员把它的染色体解码，然后利用化学方法一点一点地重新排列这种支原体的DNA序列，即对4个碱基对腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶一一排序，最后形成4条DNA链。这些DNA链被分别放进4个盛有化学液的瓶子，然后把这4瓶DNA液体装进一盘酵母菌中，依靠酵母把4条DNA链聚合起来。然后，由约翰·格拉斯领导的研究小组将人造DNA植入山羊支原体中。

科学家的最终目标是，在二种细胞的杂交体分裂时，一种基因组（山羊支原体的天然DNA）应当在子细胞中死亡，而另一种的基因组（蕈状支原体的合成DNA）应留下来，这才能检验合成的DNA是否具有复制和产生新生命的功能。他们采用的方法是用抗生素来杀死前者，而保留后者。由于供体蕈状支原体的基因组中包含了一种耐受特殊抗生素的基因，所以可以用抗生素来实现这一目的。这样，存活的蕈状支原体基因组（人工合成基因组）就会指令细胞不断复制，从而产生出更多的细胞。

相比合成基因这个步骤，让新基因组取代宿主细胞的原基因组难度更大。这不仅意味着要把新基因组装入宿主细胞，还要让细胞自己的基因组消失。山羊支原体属于“原核细胞”，而酵母则属于另一种类“真核细胞”。天然情况下，原核细胞有一种自我保护机制，它们给自己的DNA穿上一件衣服。外来的敌人，比如病毒的DNA没有这件外衣，因此一旦进入原核细胞很快就会被发现，然后被细胞消灭。问题在于，科学家通过酵母组装的新基因组没有穿上原核细胞能够识别的外衣，一旦进入寄主细胞内，就会被降解消灭。所以，科学家在将新合成的DNA分离出来以后，给它们人工穿上衣服，并用遗传学的方法去除宿主细胞对DNA的识别保护机制，它的原基因组就会被新基因组设法分解消灭掉。

退回10年，以上每一步工作都是异常艰辛。但是进入“后基因组时代”，被誉为“解析生命密码”的DNA测序变得成本越来越低、速度越来越快。当年耗时数年、耗费数百万美元的工作，如今也许在几天内、花费几千美元就可以解决。另外，基因数据库内容不断扩充，DNA合成技术日臻成熟，染色体移植技术开始出现。因此，“辛西娅”的诞生，在业内人士看来并不突然。从理论上讲，如果这项研究可以继续深入下去，就有可能创造出更加复杂的生命体，例如植物或者动物。

作为一名足够疯狂的科学家，文特尔还把一堆信息作为“水印”加入了自己合成的基因组。我们知道DNA这本天书只由A、T、C、G4个字母组成。要用这4个字母表达复杂的信息，就需要一定的加密方式。文特尔用的是最简单的加密方式——氨基酸密码子。众所周知的遗传的中心法则就是，遗传信息从DNA转录成RNA，再从RNA翻译成蛋白质。蛋白质由20种氨基酸组成，而每一个氨基酸由信使RNA上的3个碱基唯一确定，那3个碱基即为密码子。在全部4条“水印”中，第一条据称是对编码系统的解释说明；第2条“水印”是一条可让破解出的人访问的网址；接下来的“水印”包括了46名研究者的名字；最后一条“水印”则是一串英文箴言。在DNA里加“水印”有二个目的：其一，作为证明，告诉他人这基因组确实是人工合成的；其二，防止盗版，以后再出现的新合成生物拿来测序看看有没有这段“水印”，就知道自己的知识产权是否受到了侵犯。（待续）