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从人类基因组到人造生命：克雷格·文特尔领路生命科学 |
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4.2 人造生命的技术困扰和挑战
合成生物学是后基因组时代生命科学研究的新兴领域。早在本世纪初，它就已经成为现代生命科学的研究热点。然而，“合成生物学”第一次真正进入大众视野，还是缘于这次“世界首个人造生命”的新闻事件。本次合成的支原体细胞较以前无论是病毒还是噬菌体基因组都要大出很多倍，Venter等的工作首次将合成生命的对象推广到原核生物，实现了合成生物学在细胞基因组水平的突破。
殊不知，虽然本次实验的最终产品是支原体细胞，但真核酵母却是这场表演的真正主角。目前的DNA合成技术还不能一次得到很长的序列片段，Venter小组合成的蕈状支原体的DNA，也是将整个基因组截成1078条DNA片段来合成，然后把它们插入酵母细胞中，利用酵母中具有超强DNA修复功能的酶，将平均长度为1080 bp的DNA片段拼接成1077947 bp的全长基因组。
因此准确地说，人造细胞“Synthia”唯一非天然的部分便是它依照蕈状支原体合成的基因组，但这1 000多kb的DNA，如果不是借助酵母的细胞环境，仅靠化学合成仍然是不能完成的。这也是目前人造生命主要的技术困扰之一：人工合成生命体的遗传物质在体外无法达到细胞基因组水平的最小长度；而且这些化学合成的“核酸”也并不一定能在细胞中稳定地复制传代并指导生命活动，所以更谈不上仅依靠这些化合物从头产生有生命的个体。另外Venter的小组合成的基因组也并非绝对的凭空“创造”。无论是2年前合成的生殖支原体基因组，还是这一次的蕈状支原体人造基因，除了几处极少的改动外，基本等同于这些天然细胞的基因序列。总之，目前的人造生命不可能完全脱离其天然范本和细胞环境。
在后基因组时代，基因测序和DNA合成技术虽然日臻成熟，且成本也越来越低。但人造生命或者其他合成生物学的研究仍然没有想象中简单。就以“Synthia”的产生过程为例，当正确的DNA序列移入到受体 (山羊支原体) 后却不正常工作。最终Venter他们还是通过甲基化酶的DNA修饰才克服了受体细胞的限制性。由于表观遗传学所涉及的各种因素，往往序列正确的DNA组装成结构正确的染色体后还是会在胞内发生沉默；外源基因的插入还可能造成细胞原有代谢途径的改变，从而影响到正常生命活动的进行。另外，生命系统的复杂多变、系统中各部件的功能尚不明朗，这些都成为合成生物学研究的技术困扰与发展制约。同时这也正是人类基因组破译10年后，其研究成果不能直接应用于医疗的具体原因之一。
4.3 生物安全与生物伦理
合成生物学研究只有突破各种技术壁垒和制约瓶颈，才能最终蓬勃发展起来。作为以系统生物学为基础的一门新兴学科，捷报频传的成果已经说明了合成生物学巨大的生命力和广阔应用前景，未来随着自然科学的飞速发展和合成生物学技术的不断进步，一定可以实现对微生物乃至高等动植物进行定向改造，甚至直接制造出世界上不存在的生命个体。但随之而来的生物伦理和生物安全等备受关注的问题又令一些学者望而却步。如同30多年前的DNA重组技术是否会对人类健康造成威胁的问题一样，一些必须面对的社会问题也困扰着合成生物学家们。2004年6月在美国麻省理工学院 (MIT) 举行的第一届合成生物学国际会议上除了涉及合成生物学的科学与技术问题外，还讨论了这一学科当前与未来的生物学风险、有关伦理学问题以及知识产权问题。随着这个领域的发展，对于合成生物学的安全性的考虑越来越多。人们所担心的正是对这些人工合成的微生物有意或无意的误用，让一些具有致病感染性的病菌威胁人类和其他生物的安全；或者在实验室中制造出未经自然选择而产生的物种，而这些生物的某些特性很可能影响到生态环境，破坏生态平衡，这些危害一旦发生后果将是难以预知和控制的。倘若合成生物技术被应用于制造生物武器，更会让人感到异常恐惧。但另一方面，合成生物学的贡献和前景已是有目共睹，合理开展合成生物学研究，将极大地推动经济与社会的发展。一味地逃避风险而停下探索的脚步无异于因噎废食。当然，在进行各种类型的研究之前，一定的监督和对价值与风险的评估都是必要的。这样才能使这一学科向着对全人类有益的方向发展；在未来才会有更多生命科学的发明创造在能源、环境、资源、健康等领域得到应用。这些应用才是科学家开创合成生物学的真正初衷，也是合成生物学本身的意义所在。
另外，合成生物学的发展过程也一直伴随着有关伦理道德的争论。一些宗教组织还认为生物合成无异于扮演上帝造物，有悖自然伦理。其实不然，类似于基因重组这样的工作几乎每天都发生在任何一个分子生物学实验室中。况且，一些致病的病毒和细菌同样是自然界的产物，而人类却一直为消灭它们而进行着斗争。天花病毒早已灭绝，脊髓灰质炎病毒也几近绝迹，没有什么比这更像在充当上帝的角色，但也不会有哪个理智的人对此感到遗憾。另外，合成生物学远没有发展到可以任意创造生命的程度。“任意创造生命”既不是目前合成生物学发展水平所能及，也不是发展该学科的最终意义。诺贝尔和平奖获得者Schweitzer 医生曾经写到“我必须坚持这样一个事实：生命意识透过我展示了她自己，成为与其他生命意识相互依存的一员”。人们不该因为肤浅的信条而削减了认识自然与追求真理的动力。感受和领悟“生命之美”恰恰是每一个生命科学研究者的理想与责任。但同时，对生物伦理的担心与讨论也值得被重视，相关的观点也应该受到尊重。
5 展望
当生命科学进入后基因组时代的第10年，合成生物学也在Craig Venter等人的一个个创新与突破中走过了10个年头。今天，“人造细胞”的成功见证了合成生物学领域由无机到有机，从基因组到细胞的又一次飞越。让人不禁感叹现代生物科技的高度发达。这一研究成果与其说是人类征服自然过程中的一次胜利，不如说是自然赋予我们的又一新知。
系统生物学的发展使人们对生物系统的认识逐渐加深。随着基因组数据库的日益丰富，生物信息学、基因与蛋白质组学等领域的进步，新的技术方法、更高的效率以及更低的成本将推动合成生物学在更多学科和领域中实现从局部向整体、由分散到系统的多元化发展。合成生物学有着巨大的社会效益及经济价值，必将在能源、环境、化工、材料、医药等领域得到广泛应用。但是，目前的合成生物学仍然有很多思想上和技术上的困难要克服。Craig Venter的挑战与创新精神正是未来所需要的。生物合成已不仅仅是一个科学问题，更是一个人类问题与社会问题。
在生命科学飞速发展的21世纪，科技进步需要积极、合理并有预见性地融入合成生物学的研究方法。唯有这样，合成生物学这把“双刃剑”才能真正成为人类认识世界和征服世界的利器；人们的未来生活才能最大程度地受益于生命科学的探索成果。合成生物学的潜能是巨大的：人造器官、廉价高效的药物生产、清洁并可持续的生物能源……这些美好的前景需要的是耐心和努力，以及一大批科学家和工程师们的创新与探索。因此，合成生物学任重而道远。
