搭建生命積木的合成生物學

1、搭建生命搭建生命積木的合成生物學木的合成生物學張文韜編譯作品《積木搭建生命》●合成生物學能為我們帶來什么？隨著科學家對合成生物學能為我們帶來什么？隨著科學家對DNADNA“讀寫”能力的進一步提高，生物工程學創(chuàng)造出“讀寫”能力的進一步提高，生物工程學創(chuàng)造出了更多的奇跡。了更多的奇跡。如果給人類裝上聲納，我們會像蝙蝠一樣在黑暗中旅行嗎？如果人類有從陽光中吸取能量如果給人類裝上聲納，我們會像蝙蝠一樣在黑暗中旅行嗎？如果人類有從陽光中吸取能量的

2、基因，我們是否會像植物一樣進行光合作用？利用生物學和工程學手段，科學家正在改變著世界……的基因，我們是否會像植物一樣進行光合作用？利用生物學和工程學手段，科學家正在改變著世界……玩過樂高積木嗎將那些色彩豐富、形狀各異的積木按照自己的想象拼在一起就成了一間房子、一只小船或是一座寶塔。在生物學世界里，科學家們正試圖將細胞看成是一套積木，他們在使用基因“積木”和蛋白質“積木”創(chuàng)造各種新的細胞及其新的功能。比如，能夠清理原油泄漏污染的細菌、能夠

3、防蟲害的水稻、能夠生產新型材料的細胞，等等。這就是合成生物學所關注的如何用新奇有趣的方法對生命重新進行組合。這不僅需要對生物學有足夠的了解，還需要創(chuàng)造性的工程技術和計算方法，更需要各學科的協(xié)作完成?；虿僮骰虿僮髟诤铣缮飳W出現(xiàn)之前，基因工程在很大程度上只是傳統(tǒng)意義上的遺傳學。1968年，約翰霍普金斯大學醫(yī)學院的分子生物學家漢密爾頓史密斯(HamiltonSmith)的一個意外發(fā)現(xiàn)，便奠定了未來數十年的遺傳學基礎。史密斯研究的是流感嗜

4、血桿菌和噬菌體，后者是能感染細菌的病毒粒子。當史密斯用P22噬菌體感染細菌時，他發(fā)現(xiàn)噬菌體的DNA被降解了。于是，史密斯從中分離出了一種酶，并最終證明這種酶總是切割DNA上某一特定的核苷酸序列，這就是我們今天所說的HindII酶。HindII是生物學家發(fā)現(xiàn)的第一個限制性內切酶，它能識別特定的序列，把DNA切開。菌在黑暗中生長，合成黑色素的基因就被開啟。經過特定模式的光照射后，科學家們就得到了一張由細菌組成的“照片”。扳鍵開關及其他早期生

5、物工程電路實例表明，經過近三十年的研究，基因操作技術可以賦予細胞前所未有的功能。它的意義絕不僅僅是為重組幾個基因創(chuàng)造了條件，即人們可以通過它來重組整個產物合成線路、甚至合成能控制細胞分裂、生長、復制和與其他生物相互作用的完整基因組。以藥物合成為例，胰島素等藥物只需在細菌中插入一個基因就可以大量生產。但是生產其他藥物需要一系列的基因，比如青蒿素它是迄今最有效的抗瘧疾藥物。在此之前，只能從一種叫青蒿的草藥中提取，產量高度依賴于青蒿的數量。2

6、005年，在加利福尼亞州的勞倫斯伯克利國家實驗室，科學家們試圖利用酵母這種在實驗室里易于生長的真核單細胞生物體生產前體青蒿酸。杰伊基斯林(JayKeasling)把一整套在植物中生產青蒿素前體的基因和代謝途徑，連同其他所需基因從不同的生物轉到酵母細胞中生產青蒿酸，可節(jié)約30%～60%的成本。目前這個過程處在研究的末段，藥物預計于2012年面世。盡管合成生物學仍處在起步階段，如何向前推進？就如同組裝一臺機器，不僅要有創(chuàng)造性的工程技術和計算

7、方法，更需要各個學科的協(xié)同合作閱讀、復制、合成閱讀、復制、合成基因遺傳密碼就像是一門語言，要學會使用它，你必須首先學習如何閱讀并理解它。在考古學家發(fā)現(xiàn)古代瑪雅象形文字的意義之前，它是一個未解密的代碼，沒有人能用瑪雅文書寫。遺傳密碼也是如此，我們的DNA曾經也是未解密的代碼。不過，一個世紀以來，科學家們已經逐漸學會如何讀懂每一個細胞的遺傳密碼。他們已弄清，哪些基因決定細胞和生物體的哪些特點，改變基因又會如何相應地改變這些特點。目前，研究人

8、員正努力利用遺傳語言中的四個字母(A，G，T，C)——也就是核苷酸——來書寫DNA，構建新基因或基因的組合。上述合成生物學的例子是建立在理解基因密碼的基礎上，也就是說，知道序列與功能之間的聯(lián)系。此外，我們還須盡可能多地生產所需基因拷貝數。1985年，化學家卡里穆利斯(KaryMullis)開發(fā)出一種能快速復制基因的方法被稱為聚合酶鏈反應(PCR)。PCR是在試管中反復進行的一種DNA復制反應，用加熱(變性)、冷卻(退火)、保溫(延伸)等

9、改變溫度的辦法使DNA得以復制，每一次循環(huán)，反應體系中的DNA分子增加約一倍，可使DNA無限擴增。這項技術已經有25年的歷史，但科學家們仍在不斷尋找更好的方法快速合成DNA序列。2009年，哈佛大學的喬治丘奇(GegeChurch)公布了基于PCR等多項技術的新型技術，研究人員可以合成出數百萬條基于同一DNA鏈、卻又相互之間存在微小差別的DNA鏈從中找出有特殊功能的基因。丘奇用這種方法找到了一種大腸桿菌，能生產高于正常水平的蕃茄紅素。番

10、茄紅素是在番茄中發(fā)現(xiàn)的一種鮮紅色化合物，有著預防某些癌癥的作用。丘奇的研究表明，研究人員可以針對任何所需的細胞特性進行篩查，不僅僅是番茄紅素，還能從隨機制造的細菌中篩選出具有產生生物燃料或消化溢油等能力的細菌。2010年，生物學家克雷格文特爾(CraigVenter)、限制性內切酶的發(fā)現(xiàn)者史密斯等人合成了一條含有100萬對堿基的DNA，并將其轉入細菌細胞中——他們把一個細菌的全基因組用計算機編寫成數字文件，然后將文件信息翻譯成許多DNA