合成生命的构筑技术

江理华

摘要：“合成生命”从来都不只是口号。本文通过文献调研“人造细胞”的研究现状，浅议“合成生命”所需智能材料的构筑及可行的实现方法。

关键词：合成生命;超大分子;人造细胞;自发组装;分子机器

化学这门学科真奇妙。无机化学揭示了构成物质的元素，以及元素的周期律。有机化学则研究碳原子的构筑，即“如何形成碳-碳键”。传统化学发展到如今，无机化学从人工晶体到纳米材料，有机化学从合成药物到合成生命，研究的内容产生了巨大的跨越。化学已经逐渐成为研究其他自然学科的必要手段。

合成生命从来都不只是口号。一方面，化学作为理学的基础学科，成为支持其他学科发展的主要力量。另一方面，纯粹化学学科的发展也要其它学科的支持。同时，化学的发展仅仅是理论的发展肯定是不够的，更多的是需要在实验室出成绩。

一、对合成生命的认识和研究实验

“合成生命”的条件是：其一，要对维持生命所需最低限度的基因和蛋白质有进一步了解;其二，应拥有能合成大片段DNA并将其组装合成基因组的技术。

美国科学家2010年宣布设计并制造出了“生命”的最小单位：人造合成细胞。首例完全由人造基因控制的单细胞细菌诞生。其基因组是迄今已知最小的基因组，仅包含维持生命必需的基因，被认为是生命科学领域的突破性进展。

其后，中国科学家又让“人造生命”获得重大突破。在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞。该项目的研究团队将单细胞真核生物，即酿酒酵母天然的16条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体。

生命的诞生有几种假说，日本神奈川大学菅原正研究室，以化学进化论假设为基础，先制作了单独的膜，然后复制可传达信息的两个系统，并试图将简单的分子结合在一起形成信息、境界、催化剂相关联的人工细胞。

生命是“超大分子”，一方面，生物大分子通过多级、可控的自组装，构成了生命活动的基础。另一方面，对生命基本过程的探索也促进了自组装的发展。合成生物学家一直对人造细胞有很大的梦想，與简单的合成结构相比，已经在体内能够运输某些药物的脂质体，人造细胞可能对环境更敏感，并能执行更多种类的工作。

二、合成生命的技术

要合成生命，关键的是探索构筑人造细胞的各种实现或实验技术。通过文献调研如下：

清华大学刘冬生教授的研究团队提出了框架诱导自组装技术。通过模拟细胞结构制备囊泡，由磷脂组装双层膜界定形状。因生理条件下不会发生融合或者再分散的现象，这是细胞骨架通过定位膜蛋白，在诱导磷脂分子组装的推测。方法是先进行框架制备，聚集形成“超”粒子。然后进行框架诱导组装，达到尺寸精确可控，形状可控，实现任意两亲分子在可控条件下组装的目的。

瑞士联邦理工学院与剑桥大学的研究小组合作，用不同的DNA链给荧光聚苯乙烯小球涂上涂层，让小球外表变得毛毛的，作为粒子相互作用的手段，也可以用于标记不同的粒子，还能利用DNA序列的适配性，给粒子间的相互作用编程。也就是利用DNA涂层胶体，控制两种不同胶体微粒的自组装进程。

东京工业大学的泷上准教授的研究团队，利用细胞的膜小胞，对物质的吸收或排斥的机理构筑的控制理论开发了微型人造细胞反应堆。能使微小水滴融合或分裂，达到精准控制的目的。这种微型人造细胞反应堆，被期待用于人造细胞和分子机器人的制造。

另外，人造细胞并不意味着只有从单独分子来制作细胞，探索的途径应更加宽广。例如：获得诺贝尔生理学或医学奖的京都大学iPS[1]细胞研究所所长山中伸弥，利用来自患者本人的iPS细胞，在实验条件下再现病情并测试各种药物的疗效，可大大节约新药研究时间和经费。iPS细胞是利用皮肤细胞等体细胞，经诱导因子处理后转化而成的细胞，其功能和胚胎干细胞类似，能分化成各种组织和器官。

三、如何创新？

在人类的创新中，“仿生”是启发思维的有效方法。仿生学是一门既古老又年轻的学科。例如，按照鱼的体型研究潜水艇，根据蛙眼的视觉原理，研制电子蛙眼等等。虽然地球上所有的生命都是亿万年进化的产物，是通过自然选择雕琢出来的杰作，但是，人类要将生命系统转变为一个具有无限潜力的工具，就得依靠各种有适配性的仿生合成技术和合成生物技术来实现。因此，创新可以来自仿生。

病毒是目前已知的结构最简单的“活”的生命单位。有些病毒浸染的对象是特定的微生物或植物。利用对人体无害的噬菌体病毒，由于具有合适的纳米级尺寸、明确的结构、可进行基因工程操作、能够实现自我复制，自组装等特性，可以作为模板制造所需的分子或材料。因此，甚至病毒也可以作为人类研究新材料的工具。

“创新”需要分子数量级的有控的制备。从目前的文献中获悉，分子机器人是值得期待的技术。因为，分子机器人可以模仿大脑的工作原理，大脑神经细胞有着树状一样的放射状神经分枝，每一个分枝都习惯于和其他大脑神经细胞沟通并传输指令，使得大脑的功能十分强大。所以，利用大脑分子机器人可增加对人造细胞的可控性。

另外，计算机技术的发展，也为合成生命技术提供了有利的工具。使用电脑程序设计和编写遗传信息，然后通过化学合成的方式将这些遗传信息合成出来，可以优化实验途径。发现每一种新的材料是非常艰难的过程，通常要经历无数次失败，还要费劲功夫反向检测这种新材料的性质。使用计算机模型和机器学习算法生成海量假想的材料，建立数据库，从中筛选出值得合成的材料，再通过检索这些材料可能拥有的性质进行具体应用测试应该是一种有效方法。

四、进一步的实验和探索

其一，单纯的分子组合，能够制造出情报、境界、触媒相关的人工细胞，但是还要进一步研究引起生命的达尔文型进化型因素，也就是细胞多次分裂等。为了解决这些课题，今后的实验将试着将DNA复制的材料封闭在内部的磷脂质进行融合。经过对周围的PH增强酸性，改变环境下功夫的结果，有效率地实现有正电荷的分子与有负电荷的磷脂质分子的融合。

其二，在以往的实验中，仔细观察一系列周期，发现有四个相，即贝西克尔DNA增幅、成熟期、膜肥大分裂、材料采集等。这些观察与考虑生命的起源，所发生的推测非常有趣地对应着。例如：温度的升降，模仿作为生命起源的场所被关注的热水喷出孔的海水对流的温度变化;pH变化，与大气中的二氧化碳和二氧化硫等经常被暴露的原始的海的环境重叠;等等，需要进一步实验和验证。

其三，目标是制造出能够反复自行生产的人工细胞。但是，在实现可进化的人工细胞之前，还有很多课题需要实验验证。例如，有随着信息分子的变化，伴随催化分子量降低的膜生产能被降低的防止;根据不同环境，有自我保持能力的获得等。

结论：

合成生命需要多级、可控的自组装功能。在模拟细胞的结构或细胞基因的构筑过程中，应该创新出有适配性的合理的人造细胞的“构筑模式”。引用智能材料，“大脑”分子机器，以及计算机程序的学习算法，筛选出能够保持活性的生物替代技术，以达到尺寸可控、形状可控、分子可控的自组装。今后的实验方向是模拟具有进化能力，或者自我生产能力的人造细胞。

注释

[1]iPS：人造多功能干细胞（induced pluripotent stem cell）

参考文献

[1]题目：《DNA智能材料与纳米器件》;作者：刘冬生;期刊：《第十二届固态化学与无机合成学术会议论文摘要集》2012年

[2]题目：《分子が関わる人工細胞から生命を考える》;作者：栗原顕輔;期刊：《季刊生命誌》2016年88期

（作者单位：清华大学）