搭建生命积木的合成生物学

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1、搭建生命积木的合成生物学张文韬/编译作品《积木搭建生命》●合成生物学能为我们带来什么？随着科学家对DNA“读写”能力的进一步提高，生物工程学创造出了更多的奇迹。如果给人类装上声纳，我们会像蝙蝠一样在黑暗中旅行吗？如果人类有从阳光中吸取能量的基因，我们是否会像植物一样进行光合作用？利用生物学和工程学手段，科学家正在改变着世界……玩过乐高积木吗?将那些色彩丰富、形状各异的积木按照自己的想象拼在一起,就成了一间房子、一只小船或是一座宝塔。在生物学世界里，科学家们正试图将细胞看成是一套积木，他们在使用基因“积木”和蛋白质“积木”创造各种新的细胞及其新的功能。比如，能够清理原

2、油泄漏污染的细菌、能够防虫害的水稻、能够生产新型材料的细胞，等等。这就是合成生物学所关注的如何用新奇有趣的方法对生命重新进行组合。这不仅需要对生物学有足够的了解，还需要创造性的工程技术和计算方法，更需要各学科的协作完成。基因操作在合成生物学出现之前，基因工程在很大程度上只是传统意义上的遗传学。1968年，约翰·霍普金斯大学医学院的分子生物学家汉密尔顿·史密斯(HamiltonSmith)的一个意外发现，便奠定了未来数十年的遗传学基础。史密斯研究的是流感嗜血杆菌和噬菌体，后者是能感染细菌的病毒粒子。当史密斯用P22噬菌体感染细菌时，他发现噬菌体的DNA被降解了。于是，

3、史密斯从中分离出了一种酶，并最终证明这种酶总是切割DNA上某一特定的核苷酸序列，这就是我们今天所说的HindII酶。HindII是生物学家发现的第一个限制性内切酶，它能识别特定的序列，把DNA切开。限制性内切酶改变了整个遗传学，使得科学家们能够对DNA进行“剪切”、“粘贴”。1972年，赫伯特·博耶(HerbertBoyer)在一个会议上遇到了斯坦利·科恩(StanleyCohen)，科恩当时正在研究如何把质粒(能在细胞间转移的微型环状DNA分子)从一个细胞转移到另一个细胞。博耶则正在探寻如何使用限制性内切酶，他发现酶(如HindII)切割DNA后会留下“粘性”末端

4、，这意味着切割后的DNA可以和其他拥有相同粘性末端的DNA连接到一起。也就是说可以将两段用相同限制性内切酶切割后的DNA片段连接起来。经过讨论，他们立刻意识到，可以利用粘性末端把新的DNA片段“粘贴”到质粒上，由此他们找到了切割、连接不同生物体DNA的一种方法。而细菌是进行这种工作的完美选择。因为它们是没有细胞核结构的原核细胞，遗传信息保存在一个类似质粒的环状DNA分子中，而不形成染色体。遗传学家很快就掌握了用质粒与限制性内切酶把动植物基因转入细菌的技术。这就是基因工程的开始。采用博耶和科恩开发的技术，美国礼来制药公司的科学家将分泌胰岛素的人类基因插入到细菌细胞里，

5、把细菌改造成生产胰岛素的微型工厂。1982年，该公司申请了专利，彻底改变了原先依靠屠宰动物获得胰岛素的方式。现在，可以根据需求随时调整胰岛素的产量，不会再出现供不应求的情况，成本也大幅下降。早期的基因工程发展主要归因于限制性内切酶的发现，通过切割和连接DNA，将一个生物体的基因转接到另一个生物体内。随着对生物学的潜力逐渐认识，工程师们设计和组装复杂生命体的热情被激发出，再一次在这个领域掀起革命。生物电路在电气工程师看来，电路的本质就是把外部命令付诸行动；而开关是最简单的电路，对应的则是把电灯打开或关上。生物学的“电路”形式是：蛋白质可以与DNA结合，开启或关闭基因。

6、如果基因被开启，DNA中的信息将被复制到RNA上，这一过程被称为“转录”。接下来是“翻译”，即依据RNA复制的信息合成蛋白质。如果基因被关闭则不会生成蛋白质。在生物体中，诸如温度变化之类的外部信号，能够开启或关闭细胞的基因“开关”。正当科学家们开始学习如何在细胞之间转移基因时，工程师们也开始研究怎样用多种基因组合以新的方式去创造前所未有的“生物电路”。2000年，我的实验室设计完成了第一个“生物电路”——基因扳键开关。扳键开关由两种相互竞争的基因组成，每个基因在自然状态下都是打开的，其工作依赖于能关闭特定基因的阻遏蛋白以及能开启或关闭基因的化学诱导剂。当第一个基因开

7、启时，会产生一种阻遏蛋白使第二个基因关闭；当第二个基因开启时，它同样也产生阻遏蛋白，使第一个基因关闭。因此，两个基因不能同时开启。如果科学家用诱导剂关闭第一个基因，也就打开了第二个基因，反之亦然。扳键开关的奇妙之处就在于它能赋予细胞记忆。之前，如果科学家想要切换基因的开闭状态，他们将不得不持续对编码相关蛋白质的基因进行诱导。这就像你必须一直把你的手指按在开关上，才能使灯一直亮着，如果此时你还想在房间里走动，那就不行了。然而，扳键开关能在被诱导后一直保持基因的开启，让细胞“记住”这种状态。对那些需要诱导剂来生产细胞内蛋白质的公司来说，这种方法意味着他们可以减少在诱