百家谈02期|科学家:人类开始扮演“造物主”的角色

关键词:合成生物学  基因编辑

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图,侏罗纪公园,来自网络

1.重现:侏罗纪技术可能性

1993年《侏罗纪公园》震撼上演,剧中科学家们提取天然琥珀中的恐龙血液以及化石中的基因信息,经过信息修复后,向世人复原了栩栩如生的史前巨兽。这一科幻故事,以目前发展的理论技术,并无不可能,而且有更超远的意义。

 

2.里程碑:合成细菌基因组、酵母染色体

2010年,著名科学期刊《Science》报道了由Gibson等人完成的“合成细菌基因组”的成果。这是人类首次通过化学合成方法合成具有细胞结构生物体的基因组,并且该合成基因组能正常发挥生物学功能。这是具有历史意义的伟大里程碑事件。

2017年初,《Science》杂志再次以专刊的形式,报道了由中外科学家联合完成的“酵母基因组2.0计划”的阶段性成果。不同于Gibson等人的工作,“酵母基因组2.0计划”试图通过化学合成方法从头合成一个真核单细胞生物的基因组,其基因组大小是前者的十倍以上。目前,该项目还在实施中。

图,人工合成酵母染色体的成果,在著名期刊《Science》封面发布

3.“举一创三”:学习已知生物,创造新生命生物学研究的终极目标是以充分理解生物体及其与自然环境的互作机理为基础,通过合理改造或应用,使之符合人类的利益。充分认识生物体生长发育的分子机制,是实施人为改造的前提和基础。在长达数百年的历史中,生物学研究形成多个不同的学科,分别在不同维度上研究生物生长发育以及生态系统运行的机制。

20世纪50年代,DNA双螺旋机构被发现,生命科学研究进入到分子生物学时代。随着时间推移,对小鼠、果蝇、拟南芥、酵母、大肠杆菌等少数几种模式生物的生长发育的分子机制的研究越来越透彻。在此基础上,人类逐渐能够做到根据已有的理解与认知来改造生物体。合成生物学,作为一门新学科因此而诞生。传统生物学研究,注重对自然界内在机制的“理解”;合成生物学则注重通过对自然界的“改造”来深化理解或实现新功能的创造。从某种意义上讲,合成生物学与传统生物学是沿着相反的路径开展。传统生物学注重逐级解析,寻找生物功能的分子机理,即确定某段DNA对应某项生物学功能。而合成生物学恰恰相反,通过对生物学功能已有了解的综合,进行系统的设计和改造,赋予细胞优化或全新的功能(如下图所示)。 

图,合成生物学与传统生物学之间的关系

 

传统生物学,研究注重寻找生物学现象背后的分子机制;合成生物设计目标生物体,使之具有更优或全新的功能

4.核心技术:基因组编辑合成生物研究立足于两个重要的基本点:1)对被研究的生物体的生长发育机制有比较清楚的理解。 在长达百年的近现代生物学研究中,人们通过对小鼠、果蝇、拟南芥、酵母、大肠杆菌等模式生物的研究,已经积累了大量的知识。这些知识是支撑合成生物学研究的关键。2)能够根据需求,对目标生物体基因组进行相应改造。 这就需要建立先进的基因组编辑技术,主要通过两类技术手段达成,即 “从头合成和组装技术”及“基因编辑技术”。

从头合成和组装技术能够满足大尺度、多位点、高复杂度基因组“写”的目标;而基因编辑技术则能够满足局部定点、精细的基因组“写”的任务。在合成生物快速发展的大背景下,衍生出许多重要的应用。例如:构建人源化动物模型用于器官移植、用于研究重要基因突变体的功能等等。

 

5.技术壁垒:基因组复杂性和效率

基因组合成的技术壁垒主要体现在两个方面:

1) 解决由于序列的复杂性造成的合成难度,这不仅仅是高重复或者GC%造成的,包括基因本身的编码问题导致常规合成克隆无法完成的情况,而且是非常个性化的问题,需要逐渐积累经验解决。

2.)面对大基因组的合成效率,包括时间效率和成本效益。

图,基因编辑示意图,来自the sleuth journal

6.开启新时代:人类扮演造物主角色

合成细菌基因组以及合成酵母基因组的成功实现,展示了一种既令人期待,又令人畏惧的前景 —— 人类开始扮演造物主(神)的角色。随着技术的发展,人们既能够对现有的生物体做随心所欲的改造,也能创造出自然界不存在的新物种或者使已灭绝的物种复活。可以想象,在将来的某一天,一觉醒来,发现窗户外面站着一群体型硕大的恐龙;或者,人类创造出“类人类兽”的超级战士来代替人来参与战争。

在航空航天技术快速发展的今天,人类对外太空天体的探索越来越深入,美、欧、俄等拥有先进航天技术的国家都试图开发月球、火星等近地天体。合成生物学技术的快速发展,使得人们能够更快建立起一套适应太空环境的人造生态系统,以支撑未来的太空探索和开发。这些应用在将来可能都会一一变为现实。

图,史前时代的恐龙化石,来自摄图网

7.伦理安全:人权等伦理及安全防范

合成生物学技术发展的同时,也带来新的伦理和安全隐忧。例如,为了解决医学移植供体来源的问题,会构建人兽嵌合体,并使用其器官移植给人类。这其中,人兽嵌合体究竟是否享有“人权”人兽嵌合体的嵌合度应该控制在什么程度?这些问题都有待伦理学家研究和回答。此外,如果利用合成生物学技术制造生物武器,则可能对大范围人群或某种特定人群造成危害。如果相关技术落入到疯狂的恐怖分子手中,后果则不堪设想。

在基因测序技术高度发达的今天,对病源微生物进行全基因组测序变得易如反掌。结合新发展的合成生物学技术(Genome writing),将可能创造出具有高度危害性的致病生物体。

因此,在进行相关研究时,必须做必要的安全防范。

首先,要阻断恶意制造病源微生物的意图,推动达成和平利用合成生物学技术的国际公约。

其次,建立不同等级的实验室安全操作规范。一方面防止不当操作,造成相关生物材料释放到自然界。另一方面应防止高安全等级生物材料在非法情况下从实验室流出。

参考信息:

1. https://doi.org/10.1016/j.gpb.2018.02.001

2. 《大咖论健》沈玥专访:http://mp.weixin.qq.com/s/XwqxyP8UHo9jDbgtJY6jhA

3. 《大咖论健》戴俊彪专访:http://mp.weixin.qq.com/s/4_grgR7ZOyKKsAjJ6dOWdQ

 

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