搭建生命積木的合成生物學(xué)

1、搭建生命搭建生命積木的合成生物學(xué)木的合成生物學(xué)張文韜編譯作品《積木搭建生命》●合成生物學(xué)能為我們帶來什么？隨著科學(xué)家對(duì)合成生物學(xué)能為我們帶來什么？隨著科學(xué)家對(duì)DNADNA“讀寫”能力的進(jìn)一步提高，生物工程學(xué)創(chuàng)造出“讀寫”能力的進(jìn)一步提高，生物工程學(xué)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(huì)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(huì)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(huì)像植物一樣進(jìn)行光合作用？利用生物學(xué)和工程學(xué)手段，科學(xué)家正在改變著世界……的基因，我們是否會(huì)像植物一樣進(jìn)行光合作用？利用生物學(xué)和工程學(xué)手段，科學(xué)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(xué)世界里，科學(xué)家們正試圖將細(xì)胞看成是一套積木，他們?cè)谑褂没颉胺e木”和蛋白質(zhì)“積木”創(chuàng)造各種新的細(xì)胞及其新的功能。比如，能夠清理原油泄漏污染的細(xì)菌、能夠

3、防蟲害的水稻、能夠生產(chǎn)新型材料的細(xì)胞，等等。這就是合成生物學(xué)所關(guān)注的如何用新奇有趣的方法對(duì)生命重新進(jìn)行組合。這不僅需要對(duì)生物學(xué)有足夠的了解，還需要?jiǎng)?chuàng)造性的工程技術(shù)和計(jì)算方法，更需要各學(xué)科的協(xié)作完成。基因操作基因操作在合成生物學(xué)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(xué)。1968年，約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的分子生物學(xué)家漢密爾頓史密斯(HamiltonSmith)的一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)，便奠定了未來數(shù)十年的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。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(xì)菌的病毒粒子。當(dāng)史密斯用P22噬菌體感染細(xì)菌時(shí)，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(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)限制性內(nèi)切酶，它能識(shí)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(jīng)過特定模式的光照射后，科學(xué)家們就得到了一張由細(xì)菌組成的“照片”。扳鍵開關(guān)及其他早期生

5、物工程電路實(shí)例表明，經(jīng)過近三十年的研究，基因操作技術(shù)可以賦予細(xì)胞前所未有的功能。它的意義絕不僅僅是為重組幾個(gè)基因創(chuàng)造了條件，即人們可以通過它來重組整個(gè)產(chǎn)物合成線路、甚至合成能控制細(xì)胞分裂、生長、復(fù)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(xì)菌中插入一個(gè)基因就可以大量生產(chǎn)。但是生產(chǎn)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(chǎn)量高度依賴于青蒿的數(shù)量。2

6、005年，在加利福尼亞州的勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家們?cè)噲D利用酵母這種在實(shí)驗(yàn)室里易于生長的真核單細(xì)胞生物體生產(chǎn)前體青蒿酸。杰伊基斯林(JayKeasling)把一整套在植物中生產(chǎn)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(zhuǎn)到酵母細(xì)胞中生產(chǎn)青蒿酸，可節(jié)約30%～60%的成本。目前這個(gè)過程處在研究的末段，藥物預(yù)計(jì)于2012年面世。盡管合成生物學(xué)仍處在起步階段，如何向前推進(jìn)？就如同組裝一臺(tái)機(jī)器，不僅要有創(chuàng)造性的工程技術(shù)和計(jì)算

7、方法，更需要各個(gè)學(xué)科的協(xié)同合作閱讀、復(fù)制、合成閱讀、復(fù)制、合成基因遺傳密碼就像是一門語言，要學(xué)會(huì)使用它，你必須首先學(xué)習(xí)如何閱讀并理解它。在考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)古代瑪雅象形文字的意義之前，它是一個(gè)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(jīng)也是未解密的代碼。不過，一個(gè)世紀(jì)以來，科學(xué)家們已經(jīng)逐漸學(xué)會(huì)如何讀懂每一個(gè)細(xì)胞的遺傳密碼。他們已弄清，哪些基因決定細(xì)胞和生物體的哪些特點(diǎn)，改變基因又會(huì)如何相應(yīng)地改變這些特點(diǎn)。目前，研究人

8、員正努力利用遺傳語言中的四個(gè)字母(A，G，T，C)——也就是核苷酸——來書寫DNA，構(gòu)建新基因或基因的組合。上述合成生物學(xué)的例子是建立在理解基因密碼的基礎(chǔ)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(chǎn)所需基因拷貝數(shù)。1985年，化學(xué)家卡里穆利斯(KaryMullis)開發(fā)出一種能快速復(fù)制基因的方法被稱為聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)。PCR是在試管中反復(fù)進(jìn)行的一種DNA復(fù)制反應(yīng)，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(fù)制，每一次循環(huán)，反應(yīng)體系中的DNA分子增加約一倍，可使DNA無限擴(kuò)增。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)有25年的歷史，但科學(xué)家們?nèi)栽诓粩鄬ふ腋玫姆椒焖俸铣蒁NA序列。2009年，哈佛大學(xué)的喬治丘奇(GegeChurch)公布了基于PCR等多項(xiàng)技術(shù)的新型技術(shù)，研究人員可以合成出數(shù)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(chǎn)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(yù)防某些癌癥的作用。丘奇的研究表明，研究人員可以針對(duì)任何所需的細(xì)胞特性進(jìn)行篩查，不僅僅是番茄紅素，還能從隨機(jī)制造的細(xì)菌中篩選出具有產(chǎn)生生物燃料或消化溢油等能力的細(xì)菌。2010年，生物學(xué)家克雷格文特爾(CraigVenter)、限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)者史密斯等人合成了一條含有100萬對(duì)堿基的DNA，并將其轉(zhuǎn)入細(xì)菌細(xì)胞中——他們把一個(gè)細(xì)菌的全基因組用計(jì)算機(jī)編寫成數(shù)字文件，然后將文件信息翻譯成許多DNA