合成生物学：挑战生命的极限

杨冬

“生命的本质是什么？”这是一个与人类文明相伴而生的古老问题。近代的科学家们也十分热衷探讨、研究这一问题。19世纪的活力论者，如著名法国科学家巴斯德，认为生命中存在特殊的“活力”，这是不具备生命的分子“无论如何都无法具备的”。按活力论者的说法，无生命的物体不具备“活力”，在任何条件下都不能产生生命。观点与之相反的是还原论者，他们认为生命是有组织的某种化学分子以及它们之间的化学反应的体现，理解这些分子的变化规律，我们就可以理解生命。根据进化论的观点，在几十亿年前的地球上，生命起源于无生命的有机分子，显然，这与活力论的观点相矛盾。现代科学对生物的研究也并没有发现生命体中存在任何特殊的“活力”。然而，活力论者始终可以提出一个挑战：“你如果认为生命可以完全由无生命的分子构建起来，那么请你用无生命的分子创造出一个人工生命！”

直到今天，还没有人成功完成这个挑战。所有的生命都来自另一个或多个生命，动物来自于其父母的生殖细胞结合生成的受精卵，单细胞生物来自于上一代细胞的分裂，病毒也是由上一代病毒在细胞内复制而产生的。只要科学家在实验室里无法重现几十亿年前生命起源的那一幕，把无生命物质转变成有生命的个体，那么活力论者始终可以说，“活力”还是隐藏在生命体的某一个角落里，只是我们目前的实验技术水平不足，难以发现而已。

合成生物学最初就是为了应对活力论者的挑战而诞生的。显而易见，如果生命可以“合成”，活力論必然不攻自破。然而，在实验室里合成一个生命是非常困难的。

为应对这个高难度的挑战，合成生物学最初的研究是从细胞内部开始的。科学家的主要研究工作是在细胞内构建一些简单的通路，使细胞能够完成一些以前不具备的功能。如果把细胞看作一个工厂，此时，科学家们虽然无法从头开始建造一个工厂，但是至少可以在已有的工厂里安装几台新的机器，或者建设一条新的生产线。

当然，引入几台新机器也是非常困难的。20世纪70年代，生物学家在技术上取得了初步突破。当时，科学家们研发了一种新技术，可以把一个外来的基因移入一个细菌细胞中，使之随着细菌细胞的分裂而不断扩增，该技术后来被称为“克隆”。与之伴随的生物技术还包括测定DNA序列以及通过聚合酶链式反应（PCR）或者DNA合成技术获得符合研究需求的基因序列。如果把一个基因视作一台机器，那么在体外通过PCR或者DNA合成技术获得这个基因相当于制造这台机器，而克隆相当于在工厂车间里完成对机器的安装。

在工厂中，将一台新的机器安装好只是第一步，它能否顺利融入生产线还需后续观察和调整。同样，虽然科学家能成功克隆外来基因，但也并不能保证外来基因在细胞中可以正常表达。所谓表达，是指细胞根据这个基因的DNA序列合成RNA，并最终合成相应的、有功能的蛋白质。与基因表达相关的技术在20世纪70年代后期取得了重要突破。例如，科学家们把人胰岛素细胞基因注入大肠杆菌中，成功地在大肠杆菌中表达人胰岛素细胞基因；随后，对这种大肠杆菌进行大规模培养，达到通过大肠杆菌生产胰岛素的目的。这种细菌合成技术大大降低了胰岛素的价格，使更多的糖尿病患者可以及时得到治疗。

不过，在细胞中表达单个外来基因，还不属于合成生物学的范畴。要将合成生物学建设为一门学科，科学家们需要付出更多努力。比如，在细胞内引入一条全新的代谢通路，并对细胞已有的代谢过程进行改造，从而使细胞可以合成以前无法合成的产物。

在该研究领域中，美国科学家杰·基斯林取得的成就格外引人瞩目。通过基因改造，基斯林让酵母（一种真核生物受体细胞）具备了生产青蒿酸的能力。通过简单的化学反应，青蒿酸便可以转变为治疗疟疾的药物—青蒿素。基斯林对酵母的基因组进行了多处改造，他引进了几个外来基因，为酵母这个“工厂”建设了一条可以合成青蒿酸的“生产线”；同时，他阻断了酵母利用青蒿酸的前体（法尼基焦磷酸）合成其他产物的通路，这等于“拆除”了“浪费”青蒿酸原料的其他“生产线”。通过引进和阻断双管齐下，基斯林最终获得了成功。由于这项技术可以绕开大面积种植黄花蒿（青蒿素的来源）和从中提取青蒿素的步骤，因而可以大大降低青蒿素的生产成本。

其实，基斯林的工作仅处于合成生物学的初级阶段。因为他的工作虽然有极高的应用价值，但是本质上只是把某种细胞可以完成的工作（黄花蒿细胞中合成青蒿素的通路）移植到另一个原本不具备这种能力的细胞（酵母细胞）里。

我们能否在一个细胞里构建出一个从来没有出现过的全新的功能呢？随着合成生物学的发展，这个目标逐渐得以实现。例如，让改造后的细胞实现开关、振荡器、逻辑门、加法计算等各种类似电子元件的功能。

如何在细胞中设计一个简单的“开关”？例如，有两个基因—A和B，A基因的产物（产物A）可以抑制B基因的表达，而B基因的产物（产物B）可以抑制A基因的表达。细胞只有两种稳定状态，要么A基因表达（状态I），要么B基因表达（状态II）。这个设计是试图构建一个开关系统，可以让细胞在这两个状态中转换。要实现这个目的，需要产物A和产物B（均为蛋白质）本身可以分别被小分子药物a和药物b关闭。如果细胞一开始处于状态I（A基因表达，B基因不表达），此时加入药物a，它会与产物A结合，使之失去活性，那么B基因就不会再被产物A关闭，它就可以表达，并合成其产物B。最终，产物B会关闭A基因的表达。所以，加入一个小分子药物a，就可以让细胞从状态I转换为状态II。反之，如果细胞一开始是状态II（只有B基因表达），那么也可以通过加入药物b将其转换为状态I。

所以，这个简单的通路就是一个开关，药物a和药物b就是控制状态II和状态I的按钮。显然，在该设计中，A基因和B基因及其产物实现了它们原本不具备的功能，具有非常高的创新性。但是，除了看上去“有趣”外，这个开关有什么实际用途呢？其实，它可以作为一个控制元件使用，比如，让产物A除了可以关闭B基因外，还可以关闭其他需要控制的基因，包含这个元件的细胞就可以通过添加药物a或药物b进入不同状态，从而表现出不同功能，如合成不同产物。

合成生物学的终极目标是“创造生命”，目前，从无到有合成一个复杂的生命体尚未实现，但初步的研究工作已经取得了一定的进展。

2010年，美国生物学家克雷格·文特尔创造了“Synthia”。从表面看，Synthia是一个普通的支原体细胞，秘密藏在细胞内部—它的基因组是100%由人工合成的。文特尔把人工合成的基因组移入一个山羊支原体细胞，最终获得一个只包含人工合成的基因组的细胞。Synthia能够正常分裂繁殖，产生后代，其后代的基因完全从人工合成的基因组衍生而来。显然，Synthia的出现是通向人工生命的重要突破。

不过，这一研究进展还不能称为“创造生命”。虽然文特尔可以合成一个细胞的全部遗传物质，但是这些遗传物质仍然需要在一个已有的细胞内部才能发挥作用。也就是说，如果不利用已有细胞的细胞膜和细胞质，人工合成的基因组无法完成复制，也无法传递下去。活力论者仍然可以声称细胞内存在某种未知的“活力因子”。因此，真正的、完全的人工生命的诞生尚需时日。

在合成生物学的发展过程中，一个重要的趋势是引入工程学的概念，如模块化、标准化，同时，还引入了诸如底盘、部件、装置等术语。合成生物学家试图制作出一些具有特定功能的標准化部件，就像在电子工程领域常见的各种即插即用的电子元件，如中央处理器（CPU）、内存、显卡。合成生物学家在开展不同项目时，可以使用已有的部件进行多种组合，从而创造出不同的细胞或更复杂的生物体。

科学家试图将一些“标准细胞”，如大肠杆菌、酵母，定义为底盘。就像在电路板上插入各种不同电子元件，合成生物学家期望在底盘中插入不同生物部件，从而组装出功能各异的细胞。然而，在实际操作中，在底盘中插入生物部件的难度远大于在电路板上插入电子元件。原因在于细胞具有非常复杂的功能，从外部引入的生物部件很可能干扰细胞原本的功能，生物部件也会受到一些细胞功能的影响，所以并不能将细胞视作可容纳各种元件的一个惰性的容器。

从20世纪90年代中期开始，合成生物学领域的研究者开始致力于构建一个包括各种生物部件的“仓库”，供该领域内的科研人员使用。2003年，标准生物元件登记库（Registry of Standard Biological Parts）开始运行，它包含了大量可用的标准化部件。2003年，美国麻省理工学院创办了国际遗传工程机器大赛（iGEM）。在这个竞赛中，参赛者需要设计并且合成新的生物部件、装置，并探索合成生物学的新应用。iGEM不仅具有教育意义，普及了合成生物学理念，也为标准生物元件登记库增加了可用的新部件。同时，有些出自于iGEM的项目非常有新意，进一步优化后可能具有实用价值。

对于将井水作为饮用水的人群而言，被砷污染的地下水会带来严重的健康威胁，这个问题在一些发展中国家（如孟加拉国）尤其严重。2006年，一支加入iGEM竞争的参赛队构思了一个检测饮用水中砷污染的系统。在这个项目中，队员们利用两个可以感知砷的蛋白ArsD和ArsR构建了一个通路。通常，这两个蛋白会关闭特定的基因的表达，而当样品中砷的浓度达到一定水平后，它们会失去与基因结合的能力，从而使被关闭的基因变为“可以表达”，最终导致溶液的pH值下降。通过检测pH值，实验人员就能确定样品中是否含有浓度过高的砷。

这个检测系统的灵敏度很高，而且通过改进，已经可以用于实际检测工作。然而，最终该方案没有被采用，背后的原因与伦理上的争议有关。可见，合成生物学项目虽然可能具有重大用途，但是在被实际运用之前，它们首先得过“伦理关”。

有关伦理上的争论，很大一部分源于人们对转基因生物的担忧。有些人提出反对，是基于其“反对任何对生命进行改造”的价值观，但大部分人更加实际，他们主要担心这些转基因生物可能给生态系统带来不良后果。

显然，当今人类的科技水平已经高度发展，有些担忧确无必要，比如，有人怀疑改造后的细菌可以无限生长，最终毁灭地球生态系统。不过，也有一部分担忧具有合理性，比如，在环境中引入一个转基因物种很有可能带来不可预料的生态后果，虽不至于毁灭整个生态系统，但该问题确实不应被忽视。因此，在合成生物学产品的开发过程中，防止改造后的物种泄漏到自然环境中始终值得高度关注，而且在很大程度上也决定了该项目的可行性。比如，在iGEM竞赛中，评委会很注重参赛者能否提出有效阻止环境泄漏的方案。如今，如何防止人工生物对环境造成不良影响，已成为合成生物学的重要研究内容。