期待人造生命积木奇迹

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1、氨基酸是构成生命的“乐高积木”，将其一块块地堆积起来就可形成每一个生命功能所依赖的蛋白质。除了极少数的情况外，细胞一般只选择20种这样的积木块。但是，这对于人体细胞组装出可发挥功能的一亿多种蛋白来说已足够了。　　几十年前，一些科学家就试图打造出更多的生命积木。开始时，这些研究只是出于一种学术上的好奇，试图回答有关生命的一些重大问题：为什么只有20种氨基酸？又为什么是这20种氨基酸？研究人员刚开始在实验室中人工制造氨基酸时，他们也只是为了看看这些新型“建筑材料”将构建出什么样的细胞，这样的探索又将导向何处。　　如今，科学家们已经创造出70多种这样的“非天然氨基酸”

2、，并使用它们重启了细菌、酵母乃至哺乳动物细胞的蛋白制造机制，所有这些似乎给蛋白合成增添了一种额外的选择。到目前为止，至少有两个美国生物技术公司正在使用非天然氨基酸，大规模生产此前在自然界并不存在的蛋白质，旨在制作出未来某一天或可治疗癌症、多发性硬化症或其他疾病的新型药物。　　研发药物或还只是一个开始。人造氨基酸也许可开辟出不可预见的新途径，就像20世纪30年代尼龙的发明者无法想象他们的新材料未来会在信用卡和水瓶上得到广泛应用从而大放异彩一样。美国得克萨斯大学生物化学家艾灵顿·安德鲁说：“这会是一种非常强大的技术，我们将能改写生命的每一个化学过程。”　　蛋白合成的

3、任务艰巨异常　　合成蛋白质是一项艰巨的挑战，以至于1984年的诺贝尔化学奖被授予了最终掌握了蛋白合成技术的化学家。几个世纪以来，化学家们一直在制造新的分子，但大部分人只是创造出了易于操控的小化合物。　　相对而言，蛋白质是巨大的：与一个典型的药物分子相比，单个蛋白质的大小很容易地就可超过500倍，而且还具有令人惊异的复杂性。蛋白质一旦构建，还必须将其自身扭曲成一个独特的立体形状，没有这个精确的化学结构，蛋白质在生物学上则是无用的。而人体中的某一个蛋白发生畸变，人体就会罹患囊胞性纤维症。　　而蛋白一旦创建起来，就不是那么稳定：太热或太冷都会使蛋白从根本上改变其状态和

4、功能。斯克里普斯研究所化学家彼得·舒尔茨表示，制作一个蛋白要采取很多的化学步骤。　　20世纪80年代，舒尔茨等人就开始酝酿制造蛋白，并手工插入人为制造的氨基酸。首批蛋白的制造可谓费尽九牛二虎之力，研究人员在上世纪90年代末才开始从细菌身上找到了突破口。一个细菌细胞可将非天然氨基酸纳入自身蛋白内。但这样做也意味着重写了细胞的遗传编码。美国加州大学伯克利分校基础科学研究院的刘畅研究员表示：“这实际上是在改变基因被读取的方式。”　　基因组（被编码在每个细胞的DNA内的遗传物质全部细目）包含着每个蛋白质的指令书。基因引导着细胞建立蛋白质的每一步，发出使用哪种氨基酸及在哪

5、里使用的指令。DNA语言是以化学碱基——腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶来描述的。每3个碱基组合编码出某一特定的氨基酸。当有一种蛋白需要执行特定任务时，比如说，至关重要的肌肉运动或呼吸，编码就由DNA的姐妹分子RNA来进行转录。　　RNA转录的是由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）中的3个字母组合成的编码，这些碱基将会替换掉RNA中的胸腺嘧啶。4个碱基就会出现64种三字母组合。例如，UGG是色氨酸的编码；UCC是丝氨酸的编码。所以，对于UGGUCC这样一个RNA序列，将意味着“连接色氨酸，然后是丝氨酸。”　　为新氨基酸写入新的遗传编码提出了一

6、个基本问题：所有64种三字母组合都有发言权。因此，舒尔茨和他的同事把目光瞄准了少数并不对应于氨基酸的组合之一——UAG序列。UAG是一个基因标点符号，当蛋白工厂生产线沿着RNA工作时，读取到UAG编码就意味着“停止，蛋白已完成”。　　美国斯克里普斯科学家利用UAG缺乏特异性的优势，重新规划组合使其对应于一种新的氨基酸。舒尔茨说，“我们没有改变DNA”，相反，研究人员只是给既有DNA赋予了新的含义。　　1999年，研究人员首先宣布使用大肠杆菌获得了成功；之后的十数年，舒尔茨等人已使用UAG重组，先后利用细菌、酵母和哺乳动物细胞获得了人工蛋白。2010年2月，在《公

7、共科学图书馆—综合》（PLoS  One）上，舒尔茨研究小组描述说，他们获得了可接受非天然氨基酸的结核病菌，这是以此种方法形成的首个重要的人类病原体。能够操纵结核病菌的蛋白将可能使研究人员更好地研究生物并开发出新的疫苗。　　不过，重组UAG也有其局限性。科学家们仍然只能一次添加一个新氨基酸，或许是两个。（除了UAG，其他两个氨基酸也能编码“停止”信号。）　　40亿年精挑细选未必最佳　　美国加州理工学院的化学家戴维·蒂雷尔则制定了将人工氨基酸植入蛋白的不同方法。他没有重组细胞的既有编码，而是使用一个与天然氨基酸非常类似的替代品。这就像是用一个同样大小和形状的绿色积

8、木来替代一个红色积木。如