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打開人造生命的大門 這回中國人工合成領(lǐng)先一步
2018-08-13 09:35:17 來源: 中國青年報
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  人造單染色體酵母與天然酵母細(xì)胞對比圖,兩者形態(tài)相似,但染色體的三維結(jié)構(gòu)有巨大改變。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所供圖

  最前沿領(lǐng)域的科技較量,有時好比是一場過程驚心動魄、結(jié)果撲朔迷離的賽車比賽:跑道上兩輛旗鼓相當(dāng)?shù)馁愜囉星坝泻?,時而并駕齊驅(qū),時而一方搶先,一方又迎頭趕上,見證最終實力的往往是最后一個彎道,看誰馬力更足狂奔依舊,一腳油門踩得恰到好處,率先甩尾沖線,便可鎖定勝局。

  借此來形容合成生物這一21世紀(jì)新興研究領(lǐng)域“不見硝煙的較量”似乎十分貼切。

  8月2日,國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志頗為罕見地同時刊發(fā)了同一“選題”的兩篇科研成果:一篇出自人工合成領(lǐng)域“老將”、美國科學(xué)院院士、紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授杰夫·博克團(tuán)隊;一篇來自中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所合成生物學(xué)重點實驗室覃重軍研究團(tuán)隊及其合作者。

  兩個成果提及的實驗和分析各有千秋,但從結(jié)果來看,前者只做到“16合2”,而后者做出了“16合1”。

  這一次,中國領(lǐng)跑了。

  消息傳出后,自然科研中國區(qū)總監(jiān)保羅·埃文斯毫不掩飾自己的激動:“他們(中國科學(xué)家)創(chuàng)造了一種只有1條染色體的新酵母菌株,顯示了中國在建立起可持續(xù)的科研生態(tài)體系方面的投資和眾多努力,有利于基礎(chǔ)研究的開展和探索關(guān)于生命的基本問題?!?/p>

  中國科學(xué)院院士趙國屏的評價則流傳更廣:這項成果是繼上世紀(jì)60年代人工合成結(jié)晶牛胰島素和tRNA之后,中國學(xué)者再一次利用合成科學(xué)策略,去回答生命科學(xué)領(lǐng)域一個重大的基礎(chǔ)問題。

  如今成果發(fā)布已經(jīng)過去一段時間,隨之而來的思考和追問并沒有停止。作為成果負(fù)責(zé)人的覃重軍告訴記者,這可能是他從事科學(xué)研究以來“最耀眼的一次”,除了偶爾和他人談起來難掩興奮,他的工作和生活沒有太多變化,繼續(xù)加班加點準(zhǔn)備搶下“下一場比賽”。

  這技術(shù)能合成“人”嗎

  這項合成生物領(lǐng)域的最新成果發(fā)布后,一個說法備受矚目,即“自然生命的界限可以被人為打破,甚至可以人工創(chuàng)造全新的自然界不存在的生命”。這是否挑戰(zhàn)了人類對自然的傳統(tǒng)認(rèn)知?人工改造的“簡約版生命”依舊可以存活的背后,有無倫理問題?

  這要從最基本的問題說起:究竟什么是合成生物學(xué)。

  在科幻電影《侏羅紀(jì)公園》中,科學(xué)家利用天然琥珀中保留的恐龍血液,提取修復(fù)DNA分子結(jié)構(gòu)等技術(shù),培育出已經(jīng)滅絕的恐龍。這種看起來頗為超前的生命科學(xué)理念,就是合成生物學(xué)的“電影版本”。

  覃重軍說,合成生物學(xué)希望效仿物理學(xué),通過人工構(gòu)建“理想化、簡約化的體系”發(fā)現(xiàn)規(guī)律,然后運(yùn)用規(guī)律,讓人類能夠像組裝機(jī)械那樣組配新生物、模仿造物者的超能力。

  曾經(jīng)有一種說法,當(dāng)大家感慨于因發(fā)現(xiàn)青蒿素而獲得諾貝爾獎的屠呦呦時,卻忽略了另一個幕后英雄——合成生物學(xué)。正是它改造酵母生產(chǎn)青蒿素,實現(xiàn)了青蒿素的大規(guī)模制備。事實上,自2002年人類歷史上第一個人工合成病毒——脊髓灰質(zhì)炎病毒在美國紐約州立大學(xué)誕生以來,合成生物學(xué)已經(jīng)成為全球研發(fā)的熱點領(lǐng)域和各國搶占的科技高地。

  這次成果不可小覷。這次的實驗對象——釀酒酵母,是單細(xì)胞真核生物,而包括人類在內(nèi)的高等動物是多細(xì)胞真核生物,如今既然已經(jīng)合成了單細(xì)胞真核生物,未來是否也能合成多細(xì)胞真核生物?

  覃重軍說,操作起來雖有難度,但并非不可能。接下來他所在的研究團(tuán)隊也會進(jìn)行多細(xì)胞生物實驗。不過,可以明確的是,不會做人的實驗。

  趙國屏說,這次實驗可以幫助人們“用最簡生命來理解復(fù)雜生命”,這不是對生命本質(zhì)的挑戰(zhàn),而是為人類對生命本質(zhì)的研究開辟了新方向,是真正的“敬畏生命”。

  而且,這項研究對于提升疾病防治水平具有重要意義。覃重軍說,人類的衰老、基因突變、腫瘤形成等都與染色體末端的保護(hù)結(jié)構(gòu)——“端?!钡目s短密不可分,當(dāng)端粒變得不能再短時,細(xì)胞就會死亡。

  如今的成果就好像打開一個窗口。覃重軍說,釀酒酵母有1/3的基因與人類基因同源,但天然酵母具有32個端粒,研究起來困難重重,人造的“單染色體”酵母則只有2個端粒,能夠為研究人類端粒功能及細(xì)胞衰老提供一個很好的模型。

  有多少人能容忍“5年不在該領(lǐng)域發(fā)一篇論文”

  人類能否創(chuàng)造生命?不管是針對這個問題的思考還是實踐,國際同行起初一直走在中國人的前面。

  自然界存在的生命體可以分為真核生物和原核生物。2010年,美國科學(xué)家克萊格·文特爾在《科學(xué)》雜志報道了世界上首個“人造生命”——含有全人工化學(xué)合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體?;蚪M層面上,化學(xué)合成生命的大門就此開啟。

  “染色體的數(shù)量因物種而異,例如,人類擁有23對染色體,但我們的猿類近親擁有24對,而雄性杰克跳蟻只有1對染色體,為什么會存在這種區(qū)別,特定的染色體數(shù)量是否給特定物種提供了某種優(yōu)勢?”覃重軍“腦洞大開”,提出了一個大膽的假設(shè)——

  可不可以打破原核生物和真核生物之間的界限,人為創(chuàng)造1個單染色體的真核生物,并具有正常的功能?換句話說,真核生物能否像原核生物一樣,用一條線型染色體,裝載所有遺傳物質(zhì)并完成正常的細(xì)胞功能?

  在“大膽猜想”之后,覃重軍與薛小莉副研究員作為“手術(shù)”總設(shè)計師,制定了整個實驗設(shè)計、工程化推進(jìn)的總體方案。博士生邵洋洋則擔(dān)任“主刀醫(yī)生”的角色,從2013年開始嘗試將釀酒酵母基因組內(nèi)大量的重復(fù)序列切掉,只保留一個拷貝,然后再將染色體全部重新拼接合成。

  這一試,就是4年:通過15輪的染色體融合,最終成功創(chuàng)建了只有一條線型染色體的釀酒酵母菌株SY14——“這條‘超級染色體’,接近原來最大一條長度的10倍”。投稿后,顛覆性的結(jié)果“嚇壞”了評委,又讓他們補(bǔ)充做了實驗并提交證據(jù),這一做,又是近一年。

  過去的整整5年,覃重軍沒有發(fā)表過一篇與酵母相關(guān)的論文,“換在別的單位,或許早就被開除了!”

  誰都希望創(chuàng)造出一個大成果,但厚積薄發(fā)的過程卻是枯燥、艱辛而漫長的。覃重軍透露,他所在研究組的經(jīng)費(fèi)一度“赤字”超過幾百萬元,有些單位的研究組賬面少于一定數(shù)額,就可能被關(guān)閉,而他所在的研究所卻包容了這個研究所最大的“負(fù)翁”。

  中國科學(xué)院院士、中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所所長韓斌說,研究所更看重人才的長期發(fā)展,以及受到國際評估認(rèn)可的研究方向,需要5年到10年才能作出的重大成果,值得耐心等待。

  如今出爐的成果,沒有辜負(fù)這份等待。保羅·埃文斯說,中國科學(xué)家這次融合顯著改變了三維染色體結(jié)構(gòu),經(jīng)證實,改造后的酵母細(xì)胞出乎意料地穩(wěn)健,在不同的培養(yǎng)條件下,沒有表現(xiàn)出重大的生長缺陷。

  是什么支持著科學(xué)家一次次從失敗中爬起

  走進(jìn)覃重軍的實驗室,堆放在他案頭上,是2000多頁A4紙,密密麻麻、用不同顏色寫滿的科學(xué)靈感和實驗思考,這其中不少就來自他散步時記下的思考瞬間。

  他告訴來訪的記者,不忙時他還喜歡翻閱《愛因斯坦文集》《巴斯德傳》,“心若繃得太緊,很難有創(chuàng)新想法,技術(shù)領(lǐng)先常常是短暫的、容易模仿的,只有創(chuàng)新思想領(lǐng)先,一般人是不容易趕上的”。

  在覃重軍看來,每一次基礎(chǔ)研究的比拼,都不只是時間上的賽跑,更是理念上的交鋒,以及實驗操作上的高低之分。他還記得,中國團(tuán)隊曾經(jīng)“遭遇”過染色體融合之后酵母就不生長的問題,核查之后發(fā)現(xiàn)還是在操作上出現(xiàn)了誤差,“把著絲粒附近重要的基因損傷了”——這些細(xì)節(jié),或許正是染色體融合成功與否的關(guān)鍵。

  覃重軍有時會想起1992年的自己。那時還是一名博士生的他,在博士論文的后記里寫下了這樣的話:“近1300頁的實驗記錄中,失敗何止百次!然而,沒有一次失敗能夠真正打垮我,為什么?照亮我前進(jìn)的道路并不斷給我勇氣去正視失敗的,是對科學(xué)的熱愛,對揭示生命世界奧秘的向往以及科學(xué)發(fā)現(xiàn)給我?guī)淼募冋娴目鞓贰?/p>

  26年后的今天,當(dāng)年的“科學(xué)夢想之心”依然年輕。覃重軍憨笑道,“科學(xué)是一條無窮無盡的探索之路,也許一生都會這樣干下去?!?/p>

  中國青年報·中青在線記者 邱晨輝

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