给细胞编程

今天，人们已越来越离不开计算机，如果世界上的计算机都停止工作，整个世界会变成死水一潭。因此，更新换代最快的高科技产品就是计算机。目前所用的计算机都是用芯片等材料组装的“死”机器。现在，科学家们已经不满足于制造这种“死”计算机了，他们将研究方向转向活的生物，生物工程师们企图通过对细胞的编程，使细胞变成有生命的计算机，开发出一种“活”的计算机。这是一种全新领域的研究，这个新领域被称为“合成生物学”。

什么是合成生物学?

地球上的每种生物体(人、植物、动物、微生物)都能追根溯源到36亿年前地球尘土中出现的一个极微小的活细胞，它出现后不断地自我复制、变异、组合，最后生成了现在地球上千变万化的生物体。但是，近些年来科学家们已经不再局限于对现在生物体的改良，而想通过“合成生物学”的方法，扮演一次创造新生命的“上帝”：在实验室内创造出完全不同于自然生物体的全新人造生物体。

虽然听起来很玄，但“合成生物学”的思路很简单，它利用计算机工作原理，将细菌作为硬件，基因作为软件，来组装成一个人工的全新生物体。这个生物体软件中的可编程的“生物组件”是从生物公司就可以买到的、两端可连接的、人工合成的DN断，生物工程师就像组装一个玩具一样，将“生物组件”直接与细胞中的DNA组装连接，一旦连接后，每个“生物组件”就会像计算机的程序一样，修改、控制细胞的功能。人们可以通过放入和组合不同的DN段来“命令”细胞，使它产生不同的功能。例如，使用“生物组件”让某种细菌产生芳香或发光。

合成生物学被美国评为全球九个开拓性新兴科技领域之一，它所创造的这种有生命的、具有计算机功能的活细胞可以解决现在人们很难解决的问题。例如，把基因网络同简单的细胞相结合，可提高生物敏感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置；在基因网络中加入人体细胞，制成一个完整器官，用于器官移植等。

合成生物学的领军人物是美国麻省理工学院的计算机工程师让・维斯。他早在读研究生时就迷上了生物学，并开始为细胞“编程”，他所领导的科研小组已经做出了生物组件，可以十分容易地组装成不同的生物“产品”。

合成生物学的进展

虽然“合成生物学”是一个近几年来才提出的新学科，但已经取得很多可喜的成果。目前，在一些大学和独立的实验室里，正在进行有关细胞编程的研究。他们已经使用在实验室里制造的合成DNA，制造出自然界中不存在的病毒和细菌。这些生物被指定执行各种有益于人类和地球的任务。如进入血液循环以探查和破坏肿瘤，消灭导致地球变热的有害气体等。

为了合成一个新的生物体，要有三步曲。第一步是为细胞“编程”，第二步是将编程的基因安装到细胞中，第三步是进行复杂的细胞组合，使它产生不同的功能。2002年，纽约大学的病毒学专家埃卡德・维默尔研究小组从生物技术公司购买了DNA短小片断，并在DNA合成公司的协助下将它们连接起来，制造出了人工合成的脊髓灰质炎病毒。这项研究的成功为合成新的生命奠定了基础。

2005年，维斯领导的小组进行了为细胞编程的研究。他们首先为大肠杆菌编程，使它在高浓度的化学物质中发出了绿光，而在感受到较低浓度时发出红色的光。这样，它们就可以作为一种生物传感器来检测人体或一些化学物质中所需要检测物质的浓度，例如，当一些大肠杆菌发生变化时，可以引起这些人工合成的大肠杆菌发出红色或绿色的荧光，人们就可以根据所发出光的颜色，知道这些大肠杆菌发生了什么样的变化。

威斯康星大学的研究人员进行了大肠杆菌基因组组合工作。大肠杆菌的基因组中一些多余的DNA会干扰实验室研究和工业生产的利用。因此，他们拆掉大肠杆菌中大片的遗传物质，将一些具有特殊功能的人造基因插入，这种变瘦的大肠杆菌基因组可以使细菌无需在实验室中接受特殊的照顾和培养，只需要少量的食糖作为食物，就能生产出大量的生物产品。新的基因组像计算机的软件一样，人们可以通过控制它的程序。达到不同的目的。例如，可以命令它大量产生有用的蛋白质和药物。

美国科学家最近宣布，他们首次试验成功使细菌大“变心”的创举，实现了在物种间进行完整基因组的“移植”手术。文特尔和他领导的研究小组先利用特殊生物酶，将一种蛋白质破坏，得到完整的“裸DNA”。然后将这个基因组注入另一种剔出了遗传物质的近亲细胞中，并加入一种化学物质帮助“裸DNA”与它的“寄主”更好地融合。“移植手术”后，经过改造的细胞开始在植入基因组的控制下，产出其特定的蛋白质。这一“罩程碑式”技术的成功为首个“人造物种”的降生奏响了序曲。

目前，合成生物学研究已经取得了一些令人瞩目的成就，最值得一提的是在制造特效抗疟药方面取得的突破。每年全世界因患疟疾死亡人数多达300万，原来的抗疟药喹宁由于长期使用，药效一降再降。1972年发现的有效抗疟药青蒿素是从中药艾蒿中提取的，由于提取成本高，无法大规模普及。2003年，加州大学的杰伊・凯阿斯林运用生物合成的方法将一个青蒿基因植入大肠杆菌，改造后的大肠杆菌制造出一种中间化合物，它经过数步处理就能成为青蒿素的原料――青蒿酸。2005年，杰伊把一种特殊的酶植入酵母后，酵母把前面提到的中间化合物改造成了青蒿酸。现在，通过微生物工业生产青蒿素的技术链条已经基本成形，估计在2009年就可以实现人工生产青蒿素，那时青蒿素的成本将下降90％。

目前，加州大学旧金山分校克里斯领导的小组正在设计一种将4种功能不同的“生物部件”植入细胞的实验，将这种细胞注入人体后，它可以主动承担起发现癌细胞、杀死癌细胞和保护正常细胞的功能。这样，在病人毫无察觉的情况下就可以将癌症治愈。这一研究目前正处于初期研究阶段。

维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程，以促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领域中重要的进展。

合成生物学带来的喜和忧

合成生物学的成功将意味着科学的极大进步。科学家预言人类不久将进入自己制造新生命的时代，人们将依赖于目前重要的研究成果――纳米技术，在分子水平上制造出新的生命，这种新生命将按照人类的意志为人类造福。合成生物学通过修复细胞功能、消除肿瘤、刺激细胞生长和使某些决定性细胞再生等方式，实现治疗各种疾病的目的；它可以制造出一个配备有生物芯片的细胞机器人，让它在我们的动脉中游荡，检测并消除导致血栓的动脉粥样硬化；它可以制成各种各样的细菌，用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等；制造一种生物机器来探测化学和生物武器，发出爆炸物警告；它甚至可以从太阳中获取能量，用来制造清洁燃料。

然而，一切新事物的出现都会存在一些问题和反对的呼声。一些科学家担心存在潜在的生物恐怖和环境问题，由于目前还没有生物合成监管的相关规定，生物恐怖主义分子可能利用生物合成技术制造致命病毒或生化武器，实验室中炮制的人造细菌也可能给环境和人类带来更大的风险。对于这些问题是应该引起注意的，也是容易解决的。例如，这些实验室合成的细菌极其脆弱，流失到野外将难以生存，不会污染环境。

另有一些人认为合成生物学创造新的生命是违背“上帝是唯一造物主”的伦理。从事合成生物学研究的科学家们对这种看法嗤之以鼻，他们认为生命并非魔法，怀有宗教情结的老一代生物学家已经跟不上科学的发展。DNA双螺旋结构的发现者沃森教授说得更加大胆：“如果我们不扮演上帝，谁能扮演呢?”