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辛西婭3.0：生命的極簡主義

辛西婭3.0是僅有473個基因的細菌。（南方周末資料圖/圖）

最少的基因組，但依然具有自我複制能力，更重要的是，它是在實驗室里合成出來的。六年前，基因測序先驅克雷格·文特爾創造了一個具有901個基因的生命，現在，他領導的團隊創造了一個只有473個基因的生命。這是極簡主義在生命科學領域的一次偉大勝利。

辛西婭，這個聽起來像美麗姑娘的名字，再次成為人類探索生命起源的新希望。

2016年3月25日，美國《科學》雜誌報道，基因組測序先驅克雷格·文特爾（Craig Venter）帶領的團隊報告稱，他們設計並制造出了僅有473個基因的細菌。這是目前具有最小基因組，卻依然具有自我複制能力的生物體。

文特爾把它稱為“辛西婭3.0”（Syn3.0），是辛西婭1.0（Syn1.0）的升級版。

六年前，文特爾實驗室的培養皿誕生了第一個人工合成細胞Syn1.0。“去活著，去犯錯，去跌倒，去勝利，去從生命中創造新生命。”文特爾在談到這個具有901個基因的人造生命時表示。

如今，Syn3.0做到了，正以3小時的倍增速度在培養皿中不停繁殖。

首次合成長鏈DNA

辛西婭的故事始於1995年。這一年，文特爾團隊完成了被當成模型生物的“生殖支原體”的基因測序工作。這是自然界具有最少基因的生物，其基因組由482個蛋白編碼基因和43個RNA基因組成。

此時，文特爾的腦海里突然冒出大膽的想法：是否能夠用化學合成的方法人工制造染色體？

當時，在大多數從事合成生物學的研究者來看，合成長鏈DNA猶如天方夜譚。DNA是由兩條相互環繞的核酸鏈組成，合成DNA的第一步便是將核酸逐個進行連接。最常見的辦法中，每增加一個核酸，需要經過五步化學反應。

即使每一步反應的正確率高達99%，最後獲得正確長鏈DNA分子的概率會隨著核酸數量的增加而急劇下降。大量科學實驗表明，通過上述五步反應後獲得長鏈DNA產物非常容易斷裂。因此，周期長、正確率低、易斷裂，幾乎讓人工合成大片基因片段成為不可能的事，更不用說規模更大的染色體了。

隨後，文特爾研究所的漢密爾頓·史密斯小組開始了這項艱難的挑戰。史密斯曾在1978年獲得諾貝爾生理學或醫學獎，是一位公認的DNA操作高手。

這一次，史密斯小組選擇了一種比生殖支原體繁殖速度更快的支原體——“蕈狀支原體”。經過測序，研究人員確認了基因組的原始排序，並小心地將核酸逐一增加，制造出相對較短的基因片段。這些基因片斷大約由6000個堿基組成。為能在後面的實驗中區分人造染色體和自然染色體，研究人員特意給人工合成的片段做了特殊標記——“水印”。然後，研究小組用一種生物酶把DNA片斷連接起來，將DNA鏈條加長至整個基因組的四分之一。

最後的“加法”則由酵母細胞來完成，這一策略降低了人工合成的出錯概率。研究人員將人造的四分之一基因組長度DNA鏈條插入酵母細胞中，後者通過複制和組合，生長成完整的染色體。這一染色體的測序結果表明，除了“水印”，人造基因組與自然的蕈狀支原體完完全全一致。

與此同時，文特爾團隊在制造Syn1.0的過程中，還驗證了另一種“加法”——先進的DNA植入技術。他們將人造DNA植入去掉了原有的自然DNA的山羊支原體內。

然後，研究人員用抗生素保留了人造DNA，而殺死山羊支原體的DNA。最終，山羊支原體細胞開始按照人造DNA上攜帶的遺傳信息翻譯、轉錄。

2010年，文特爾帶著剛剛誕生的Syn1.0走進美國國會眾議院能源和商務委員會，國會議員和最權威的生化學、傳染病學、農業、生物倫理學家悉數到場。會議簡報令人振奮：“人造生物學應用前景廣闊，涉及健康、能源和環境。”

因為與生殖支原體具有完全相同的遺傳物質，Syn1.0並不能稱為全新的生命，但文特爾在制造Syn1.0時采用的“加法”，為Syn3.0的誕生奠定了基礎。

選擇必需的基因

文特爾在1995年提出的另一個問題，是關於生命的“減法”：“我們想知道，維持‘細胞機器’正常運轉所需最少的基因數量到底是多少？”

“生物學的目標，便是理解細胞以及細胞中每一個基因的生物學功能。”文特爾團隊在3月25日《科學》雜誌刊登論文的開頭，便指出了一個宏偉的目標。而實現這個目標的途徑之一，是制造一個最小的基因組，其中只包含維持生命必需的基因。

廣義上來講，細菌作為原核生物，是地球上相對簡單而低等的生物。為了在複雜的自然界中生存下來，大多數細胞的細菌必須具有能適應不同環境的基因。

“例如，枯草芽孢桿菌和大腸桿菌具有4000至5000個基因，這些基因都是它們在某些生長條件下所必需的，因此這些細菌對環境具有高度的適應性。”文特爾的同事克萊德·哈欽森（Clyde A. Hutchison III）註意到，而自然界還存在另一些細菌，在相對穩定的環境中發生進化，失去了對特定環境“非必需”的基因。

1999年，文特爾帶領團隊回答了四年前提出的幾個問題。他們利用“轉座子突變（transposon mutagenesis）”開展了新的實驗設計。轉座子是一段能夠移動的DNA片段，從原有DNA上斷裂再插入另一段DNA上，它就能發揮基因調控的作用。“如果基因被‘轉座子’插入，卻不影響細胞的活性，那麽，這段基因就是非必需的。”這便是文特爾和哈欽森的“減法邏輯”

中科院遺傳與發育生物學研究所研究員錢文峰告訴南方周末：“Syn3.0的關鍵亦在於基因選擇，即保留哪些基因就夠維持生命基本活動了。”

《科學》雜誌刊發的論文顯示，2010年後，研究人員將Syn1.0的901個基因分成8個片段，每一個片段都被當成獨立的模塊。然後，他們在Syn1.0的基因上插入相應的“轉座子”，複制出剩余的基因組，並嵌入活細胞中。讓細胞仍然正常工作的基因組是“非必需”的，被刪除掉。

這一過程中還曾誕生了具有525個基因的Syn2.0，這是首個基因組數量小於生殖支原體的微生物。

用這個笨辦法，他們繼續刪除Syn2.0非必需基因，最終獲得具有473個基因的Syn3.0。

對此，錢文峰打了一個比方，生物體好比一部智能手機，為數眾多的基因是形形色色的App。我們不斷刪除App，直到多刪一個，手機就會失效時，就知道了哪些是維持手機功能最重要的App了。

不過，哈欽森坦陳，即便Syn3.0已經是目前最小基因組規模的生物體，但仍然有149個基因的功能未知。

文特爾從這項工作中認識到，生命的本質要從整個基因組角度綜合來看，而不是獨立的基因。（南方周末資料圖/圖）

生命是一臺計算機

“生命是一臺計算機。”2012年7月12日，在愛爾蘭都柏林舉行的歐洲開放科學論壇期間（ESOF），文特爾在題為《2012：生命是什麽》的演講中提出了這個觀點。“DNA是一種模擬編碼的分子，對DNA進行測序，就是將模擬編碼轉換成數字編碼。計算機中的1和0則對應於薛定諤隱喻中的某些符號。”

1943年，奧地利科學家薛定諤也在文特爾舉行演講的都柏林聖三一大學禮堂中，發表了同主題的演講。薛定諤提出，物理學和化學足以詮釋生命現象，基因是一種晶體，突變則是基因分子中的量子躍遷，染色體是遺傳的“密碼本”……這些頗具哲學意味的觀點，在分子生物學尚未興起的時代令人興奮。

尚在美國芝加哥大學上學的詹姆斯·沃森（James Watson）深受啟發。1951年，沃森來到卡文迪許實驗室，與弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在X射線衍射分析資料的基礎上提出了DNA雙螺旋結構模型，開啟了分子生物學時代。

六十多年過去了，文特爾說：“正因為DNA密碼與計算機代碼之間的諸多類似之處，生物學應該走進了‘數字生命’時代。”

“這是一場非常美妙的演講！”聽完文特爾的演講，沃森在與其握手時評價道，仿佛將生物學研究的接力棒交給了文特爾。

事實上，文特爾早在參與“人類基因組計劃”時，便認識到了計算機的重要性。1990年，號稱“30億美元，30億個堿基對”的人類基因組計劃由美國能源部和國立衛生研究院（NIH）正式啟動，預期15年內完成對人體10萬個基因的解碼，繪制出人類基因組圖譜。

參與此項工作的文特爾認為用傳統的“鏈終止法”的測序效率實在太低，他提出一種更為簡單快捷的測序方法：將基因組打斷為數百萬個DNA片段，並對每個片段進行末端測序，然後應用一定算法的計算機程序將具有相同末端序列的片段重新整合拼接在一起，得到整個基因組序列。該方法稱為霰彈槍測序法（Shotgun sequencing）。

1992年，文特爾使用了14臺測序儀，僅3個月的時間就完成了“自由生物流感嗜血桿菌”必需的28463個測序反應，驗證了由計算機主導的測序新方法。這項新方法使“人類基因組計劃”預計十五年才能完成的工作，提前三年竣工。

中國病原微生物與免疫學家高福曾撰文評價稱，文特爾的創新就在於計算機技術的運用，大量工作交給計算機後，極大地提高了測序工作的效率。

當然，合成染色體也離不開計算機中的數字代碼。在文特爾看來，合成DNA正如為細胞活動重新編寫一套程序。當Syn1.0誕生時，文特爾曾表示：“這好比新操作系統指揮舊計算機開始重新工作。”

按照文特爾的理論，改變DNA這一“操作系統”，將會得到新的物種——Syn3.0正在蓬勃生長。

辛西婭的未來

談到Syn3.0，哈佛大學合成生物學家喬治·丘奇（George Church）表示：“這是一項傑作。”

和473個基因比起來，人類有2萬多個基因，含有30多億個堿基對。科學家們認為，這是生命科學領域的突破性進展，將有助於推進對生命奧秘的認知。

對於Syn3.0中未知作用的149個基因，哈欽森則興奮地表示，其中的一些神秘基因可能為發現生命未知基本過程提供有效線索。

文特爾從這項工作中認識到，生命的本質要從整個基因組角度綜合來看，而不是獨立的基因。同理，人類大多數疾病受整個基因組突變的影響，而不是單個基因。下一步，文特爾計劃將這一理論用於理解人類疾病。

論文共同作者、合成基因組公司研究員丹尼爾·吉布森（Daniel Gibson）則更註重Syn3.0的應用。他表示，使用這種最小基因組的細菌的另一個目標就是以此作為基礎，加入新的基因讓它們制造藥物、燃料以及可用於營養和農業等領域的有用物質。

作為人造生命，許多人不免懷疑它在倫理上的合理性。一旦這項技術用於人類，後果很難預料。對此，錢文峰告訴南方周末：“目前合成的基因組都很小，短期內看不到應用於人類的可能性。”科學家們也一致認為，合成生物學遠沒有發展到可以任意創造生命的程度。

還有一些問題值得討論：人工合成的生命有意無意地利用，是否有可能威脅人類和其他生物的安全？在實驗室中制造出未經自然選擇而產生的物種，是否有可能影響到生態環境？合成生物技術有沒有可能被應用於制造生物武器？

辛西婭的未來有無限種可能性。