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打開人造生命的大門 這回中國人工合成領先一步
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胞對比圖,兩者形態相似,但染色體的三維結構有巨大改變。中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所供圖

  最前沿領域的科技較量,有時好比是一場過程驚心動魄、結果撲朔迷離的賽車比賽:跑道上兩輛旗鼓相當的賽車有前有後,時而並駕齊驅,時而一方搶先,一方又迎頭趕上,見證最終實力的往往是最後一個彎道,看誰馬力更足狂奔依舊,一腳油門踩得恰到好處,率先甩尾衝線,便可鎖定勝局。

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

  8月2日,國際頂級學術期刊《自然》雜志頗為罕見地同時刊發了同一“選題”的兩篇科研成果:一篇出自人工合成領域“老將”、美國科學院院士、紐約大學醫學院教授傑夫·博克團隊;一篇來自中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所合成生物學重點實驗室覃重軍研究團隊及其合作者。

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

  這一次,中國領跑了。

  消息傳出後,自然科研中國區總監保羅·埃文斯毫不掩飾自己的激動:“他們(中國科學家)創造了一種只有1條染色體的新酵母菌株,顯示了中國在建立起可持續的科研生態體係方面的投資和眾多努力,有利于基礎研究的開展和探索關于生命的基本問題。”

  中國科學院院士趙國屏的評價則流傳更廣:這項成果是繼上世紀60年代人工合成結晶牛胰島素和tRNA之後,中國學者再一次利用合成科學策略,去回答生命科學領域一個重大的基礎問題。

  如今成果發布已經過去一段時間,隨之而來的思考和追問並沒有停止。作為成果負責人的覃重軍告訴記者,這可能是他從事科學研究以來“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,繼續加班加點準備搶下“下一場比賽”。

  這技術能合成“人”嗎

  這項合成生物領域的最新成果發布後,一個説法備受矚目,即“自然生命的界限可以被人為打破,甚至可以人工創造全新的自然界不存在的生命”。這是否挑戰了人類對自然的傳統認知?人工改造的“簡約版生命”依舊可以存活的背後,有無倫理問題?

  這要從最基本的問題説起:究竟什麼是合成生物學。

  在科幻電影《侏羅紀公園》中,科學家利用天然琥珀中保留的恐龍血液,提取修復DNA分子結構等技術,培育出已經滅絕的恐龍。這種看起來頗為超前的生命科學理念,就是合成生物學的“電影版本”。

  覃重軍説,合成生物學希望效倣物理學,通過人工構建“理想化、簡約化的體係”發現規律,然後運用規律,讓人類能夠像組裝機械那樣組配新生物、模倣造物者的超能力。

  曾經有一種説法,當大家感慨于因發現青蒿素而獲得諾貝爾獎的屠呦呦時,卻忽略了另一個幕後英雄——合成生物學。正是它改造酵母生産青蒿素,實現了青蒿素的大規模制備。事實上,自2002年人類歷史上第一個人工合成病毒——脊髓灰質炎病毒在美國紐約州立大學誕生以來,合成生物學已經成為全球研發的熱點領域和各國搶佔的科技高地。

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

  覃重軍説,操作起來雖有難度,但並非不可能。接下來他所在的研究團隊也會進行多細胞生物實驗。不過,可以明確的是,不會做人的實驗。

  趙國屏説,這次實驗可以幫助人們“用最簡生命來理解復雜生命”,這不是對生命本質的挑戰,而是為人類對生命本質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。覃重軍説,人類的衰老、基因突變、腫瘤形成等都與染色體末端的保護結構——“端粒”的縮短密不可分,當端粒變得不能再短時,細胞就會死亡。

  如今的成果就好像打開一個窗口。覃重軍説,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年不在該領域發一篇論文”

  人類能否創造生命?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,美國科學家克萊格·文特爾在《科學》雜志報道了世界上首個“人造生命”——含有全人工化學合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體。基因組層面上,化學合成生命的大門就此開啟。

  “染色體的數量因物種而異,例如,人類擁有23對染色體,但我們的猿類近親擁有24對,而雄性傑克跳蟻只有1對染色體,為什麼會存在這種區別,特定的染色體數量是否給特定物種提供了某種優勢?”覃重軍“腦洞大開”,提出了一個大膽的假設——

  可不可以打破原核生物和真核生物之間的界限,人為創造1個單染色體的真核生物,並具有正常的功能?換句話説,真核生物能否像原核生物一樣,用一條線型染色體,裝載所有遺傳物質並完成正常的細胞功能?

  在“大膽猜想”之後,覃重軍與薛小莉副研究員作為“手術”總設計師,制定了整個實驗設計、工程化推進的總體方案。博士生邵洋洋則擔任“主刀醫生”的角色,從2013年開始嘗試將釀酒酵母基因組內大量的重復序列切掉,只保留一個拷貝,然後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”。投稿後,顛覆性的結果“嚇壞”了評委,又讓他們補充做了實驗並提交證據,這一做,又是近一年。

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

  誰都希望創造出一個大成果,但厚積薄發的過程卻是枯燥、艱辛而漫長的。覃重軍透露,他所在研究組的經費一度“赤字”超過幾百萬元,有些單位的研究組賬面少于一定數額,就可能被關閉,而他所在的研究所卻包容了這個研究所最大的“負翁”。

  中國科學院院士、中科院分子植物卓越中心/植生生態所所長韓斌説,研究所更看重人才的長期發展,以及受到國際評估認可的研究方向,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,沒有辜負這份等待。保羅·埃文斯説,中國科學家這次融合顯著改變了三維染色體結構,經證實,改造後的酵母細胞出乎意料地穩健,在不同的培養條件下,沒有表現出重大的生長缺陷。

  是什麼支持著科學家一次次從失敗中爬起

  走進覃重軍的實驗室,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,很難有創新想法,技術領先常常是短暫的、容易模倣的,只有創新思想領先,一般人是不容易趕上的”。

  在覃重軍看來,每一次基礎研究的比拼,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,中國團隊曾經“遭遇”過染色體融合之後酵母就不生長的問題,核查之後發現還是在操作上出現了誤差,“把著絲粒附近重要的基因損傷了”——這些細節,或許正是染色體融合成功與否的關鍵。

  覃重軍有時會想起1992年的自己。那時還是一名博士生的他,在博士論文的後記裏寫下了這樣的話:“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,為什麼?照亮我前進的道路並不斷給我勇氣去正視失敗的,是對科學的熱愛,對揭示生命世界奧秘的向往以及科學發現給我帶來的純真的快樂……”

  26年後的今天,當年的“科學夢想之心”依然年輕。覃重軍憨笑道,“科學是一條無窮無盡的探索之路,也許一生都會這樣幹下去。”

  中國青年報·中青在線記者 邱晨輝

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【糾錯】 責任編輯: 李志強
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