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人工生命:从低级到高级(1)
http://www.100md.com 2014年6月1日 《百科知识》 2014年第11期
     关于生命,一直有两种解释。一种是“如吾所识的生命”,也就是地球上特殊的以水和碳为基础的生命;另一种是“如其所能的生命”。这种生命是除“如吾所识的生命”之外的其他一切有可能存在的生命形式。有可能存在的生命形式之一就是人工生命(合成生命或人造生命)。

    现在,人工生命已经进入了创造真核细胞生命的阶段,这是迄今人工生命中的最高级形式。

    人工酵母染色体问世

    来自中国、澳大利亚、新加坡、英国和美国等国的研究人员组成的研究小组在2014年3月27日的美国《科学》杂志发表文章,宣布他们成功合成了第一条能正常工作的酵母染色体,深圳华大基因研究院、天津大学、清华大学的研究人员负责了部分染色体合成。

    这一研究工作历时7年。研究人员利用计算机模拟出酵母菌16个染色体中最小的一个染色体synⅢ,这是对酵母菌的染色体Ⅲ进行了500多处修改后获得的版本。另外,研究人员剔除了近4.8万处DNA重复片段以及垃圾DNA,并在DNA上添加了标签,以便将天然DNA和合成DNA区分开来。
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    这一成果被誉为合成生命的新高峰,也是向合成人造微生物等生命体迈出的一大步,其意义“就像第一个人类基因组被测序完成一样”。而且,现在合成的酵母染色体跨过了人工生命的一个较大的鸿沟,从合成原核生物迈向合成真核生物。在此之前,研究人员只是人工

    合成了原核生物,或者说能够组装原核生物(如病毒、支原体等)的基因组,却尚未合成真核生物(如酵母)的基因组。

    原核生物是没有成形的细胞核或线粒体的一类单细胞生物。不过,原核生物仍然拥有细胞的基本构造并含有细胞质、细胞壁、细胞膜以及鞭毛。原核生物包括蓝细菌、细菌、古细菌、放线菌、立克次体、螺旋体、支原体和衣原体等。在原核生物中,除了支原体,其余的都有细胞壁。

    真核生物是具有细胞核的所有单细胞或多细胞生物的总称,包括所有动物、植物、真菌和其他具有膜包裹着的复杂亚细胞结构的生物。真核生物与原核生物的重要区别是前者的细胞内含有成形的细胞核,细胞核有核膜,后者没有成形的细胞核,细胞核没有核膜。而且许多真核细胞中还含有其他细胞器,如线粒体、叶绿体、高尔基体等。
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    现在人工合成的酵母菌染色体是用于发面的酵母,其基因组由1200万个核苷酸组成,它有16个染色体,其中最小的一个染色体是synⅢ,占酵母1200万个核苷酸的2.5%。在合成synⅢ后,研究人员在活体酵母菌细胞内放入人工合成的synⅢ,并进行测试,结果发现,配备有人工合成的synⅢ染色体版本的酵母菌功能与天然酵母菌的功能没有差别。这也意味着人工合成真核生物新生命的成功。

    人们一直用酵母来制造啤酒、生物燃料及药物,现在,酵母配备了全套合成的人工染色体后可能不仅具有原来的能力,还有比天然酵母更多的功能,能完成天然酵母无法完成的任务,例如,更快地培育新的酵母合成菌株,以便用于制造稀有药物和疫苗,如治疗疟疾的青蒿素和治疗乙肝的疫苗等。另外,人工合成酵母还能用于生产高效生物燃料,如乙醇、丁醇和生物柴油等。

    人工合成的第一个原核生物

    人工合成生命最初取得标志性成功的要数对脊髓灰质炎病毒的人工合成。这种病毒是原核生物,其生命形式较为简单。脊髓灰质炎病毒是导致小儿麻痹症的元凶,为何研究人员要合成这种对人类有巨大危害的病毒呢?
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    事情起因于研究人员想要探明为何这种病毒会引发小儿麻痹症,而且脊髓灰质炎病毒是自然界中一种很简单的原核生物(生命),但是又会对人造成很大的伤害。只有了解这种简单的原核生物,才有利于防治小儿麻痹症和其他类似的疾病。

    脊髓灰质炎病毒是由单股RNA(核糖核酸)组成的,其基因组很小,只有7741个碱基。脊髓灰质炎病毒在感染人的细胞后,其RNA首先被翻译成单个的大蛋白,然后经过酶的作用化整为零,形成一群更小的蛋白以攻击中枢神经系统。脊髓灰质炎病毒的繁殖方式也极其简单,它的单股RNA在侵入宿主细胞(人)后会首先转录成RNA负链,这些负链为合成正链单股RNA提供了模板。新合成的RNA正链又可以发挥信使RNA的功能,促使更多蛋白质合成。

    以前,为了研究脊髓灰质炎病毒,有的研究人员从活病毒中提取出RNA再造过一些脊髓灰质炎病毒。但是,2002年,美国纽约州立大学的埃卡特·温默等人没有借助任何活细胞而是全部采用合成原料合成了脊髓灰质炎病毒。
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    由于RNA化学性质不稳定,温默等人从生物技术公司获得了脊髓灰质炎病毒RNA链遗传密码对应的互补DNA小片段,然后在DNA合成公司的协助下将它们连接起来。接着,研究人员再插入19个标记区分自然病毒与合成病毒,然后利用酶将DNA逆转为RNA,合成了脊髓灰质炎病毒的7500个碱基对。

    结果显示,这个合成的脊髓灰质炎病毒能够感染和杀死人类细胞,并诱发小鼠罹患脊髓灰质炎。对小鼠进行试验发现,无论是对小鼠注入合成病毒还是自然病毒,它们都会在感染的一周后瘫痪。但是,合成的脊髓灰质炎病毒在功能和活性上比天然的脊髓灰质炎病毒要低很多,它们的寄生能力和杀死小鼠的效力至少比天然脊髓灰质炎病毒低1000倍。

    合成这种病毒的一个最大益处是可以利用

    它们来生产脊髓灰质炎疫苗,而且可以让疫苗的储存时间延长。当然,这一研究也引发了批评,一些人认为,这为生物恐怖主义打开了一扇大门。

    另一个原核生物的合成

    2010年5月,美国克莱格·文特尔研究所的研究人员创造了另一个人工生命,取名为辛西娅(Synthia,人造儿)。这个人工生命也是一种原核生物,即一种丝状支原体。

    研究人员先是对支原体的基因组进行解码并复制,产生人工合成的基因组。然后,把合成的基因组移植入山羊支原体中,通过重启动程序,由细胞内的人工基因组主导细胞的分裂和增生,最终成为一种新的生命。, 百拇医药(王小莜)
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