給細胞編程，研究活的計算機命名“合成生物學”
基本介紹
- 中文名：給細胞編程
- 外文名：Cell programming
- 名稱：合成生物學
基本信息,合成生物學,概況,進展,發展,隱憂,註解,
基本信息
今天，人們已越來越離不開計算機，如果世界上的計算機都停止工作，整個世界會變成死水一潭。因此，更新換代最快的高科技產品就是計算機。目前所用的計算機都是用晶片等材料組裝的“死”機器。現在，科學家們已經不滿足於製造這種“死”計算機了，他們將研究方向轉向活的生物，生物工程師們企圖通過對細胞的編程，使細胞變成有生命的計算機，開發出一種“活”的計算機。這是一種全新領域的研究，這個新領域被稱為“合成生物學”。
合成生物學
地球上的每種生物體（人、植物、動物、微生物）都能追根溯源到36億年前地球塵土中出現的一個極微小的活細胞，它出現後不斷地自我複製、變異、組合，最後生成了現在地球上千變萬化的生物體。但是，近些年來科學家們已經不再局限於對現在生物體的改良，而想通過“合成生物學”的方法，扮演一次創造新生命的“上帝”：在實驗室內創造出完全不同於自然生物體的全新人造生物體。
雖然聽起來很玄，但“合成生物學”的思路很簡單，它利用計算機工作原理，將細菌作為硬體，基因作為軟體，來組裝成一個人工的全新生物體。這個生物體軟體中的可程式的“生物組件”是從生物公司就可以買到的、兩端可連線的、人工合成的DNA片斷，生物工程師就像組裝一個玩具一樣，將“生物組件”直接與細胞中的DNA組裝連線，一旦連線後，每個“生物組件”就會像計算機的程式一樣，修改、控制細胞的功能。人們可以通過放入和組合不同的DNA片段來“命令”細胞，使它產生不同的功能。
例如，使用“生物組件”讓某種細菌產生芳香或發光。
合成生物學被美國評為全球九個開拓性新興科技領域之一，它所創造的這種有生命的、具有計算機功能的活細胞可以解決現在人們很難解決的問題。例如，把基因網路同簡單的細胞相結合，可提高生物敏感性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置；在基因網路中加入人體細胞，製成一個完整器官，用於器官移植等。
合成生物學的領軍人物是美國麻省理工學院的計算機工程師讓·維斯。他早在讀研究生時就迷上了生物學，並開始為細胞“編程”，他所領導的科研小組已經做出了生物組件，可以十分容易地組裝成不同的生物“產品”。
給細胞編程
雖然聽起來很玄，但“合成生物學”的思路很簡單，它利用計算機工作原理，將細菌作為硬體，基因作為軟體，來組裝成一個人工的全新生物體。這個生物體軟體中的可程式的“生物組件”是從生物公司就可以買到的、兩端可連線的、人工合成的DNA片斷，生物工程師就像組裝一個玩具一樣，將“生物組件”直接與細胞中的DNA組裝連線，一旦連線後，每個“生物組件”就會像計算機的程式一樣，修改、控制細胞的功能。人們可以通過放入和組合不同的DNA片段來“命令”細胞，使它產生不同的功能。
例如，使用“生物組件”讓某種細菌產生芳香或發光。
合成生物學被美國評為全球九個開拓性新興科技領域之一，它所創造的這種有生命的、具有計算機功能的活細胞可以解決現在人們很難解決的問題。例如，把基因網路同簡單的細胞相結合，可提高生物敏感性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置；在基因網路中加入人體細胞，製成一個完整器官，用於器官移植等。
合成生物學的領軍人物是美國麻省理工學院的計算機工程師讓·維斯。他早在讀研究生時就迷上了生物學，並開始為細胞“編程”，他所領導的科研小組已經做出了生物組件，可以十分容易地組裝成不同的生物“產品”。
給細胞編程概況
合成生物學是指人們將“基因”連線成網路，讓細胞來完成設計人員構想的各種任務。例如把網路同簡單的細胞相結合，可提高生物感測性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。再如向網路加入人體細胞，可以製成用於器官移植的完整器官。讓·維斯是麻省理工學院計算機工程師，早在他讀研究生時就迷上了生物學，並開始為細胞“編程”，現在已成為合成生物學的領軍人物。維斯的導師、計算機工程師和生物學家湯姆·奈特表示，他們希望研製出一組生物組件，可以十分容易地組裝成不同的“產品”。目前，研究人員正在試圖控制細胞的行為，研製不同的基因線路———即特別設計的、相互影響的基因。波士頓大學生物醫學工程師科林斯已研製出一種“套環開關”，所選擇的細胞功能可隨意開關。加州大學生物學和物理學教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路：當某種特殊蛋白質含量發生變化時，細胞能在發光狀態和非發光狀態之間轉換，起到有機振盪器的作用，打開了利用生物分子進行計算的大門。維斯和加州理工學院化學工程師阿諾爾一起，採用“定向進化”的方法，精細調整研製線路，將基因網路插入細胞內，有選擇性地促進細胞生長。維斯目前正在研究另外一群稱為“規則系統”的基因，他希望細菌能估計刺激物的距離，並根據距離的改變做出反應。該項研究可用來探測地雷位置：當它們靠近地雷時細菌發綠光；遠離地雷時則發紅光。維斯另一項大膽的計畫是為成年幹細胞編程，以促進某些幹細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或軟骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產出合成膝關節。儘管該工作尚處初級階段，但卻是生物學調控領域中重要的進展。
進展
雖然“合成生物學”是一個近幾年來才提出的新學科，但已經取得很多可喜的成果。目前，在一些大學和獨立的實驗室里，正在進行有關細胞編程的研究。他們已經使用在實驗室里製造的合成DNA，製造出自然界中不存在的病毒和細菌。這些生物被指定執行各種有益於人類和地球的任務。如進入血液循環以探查和破壞腫瘤，消滅導致地球變熱的有害氣體等。
為了合成一個新的生物體，要有三步曲。第一步是為細胞“編程”，第二步是將編程的基因安裝到細胞中，第三步是進行複雜的細胞組合，使它產生不同的功能。2002 年，紐約大學的病毒學專家埃卡德·維默爾研究小組從生物技術公司購買了DNA短小片斷，並在DNA合成公司的協助下將它們連線起來，製造出了人工合成的脊髓灰質炎病毒。這項研究的成功為合成新的生命奠定了基礎。2005 年，維斯領導的小組進行了為細胞編程的研究。他們首先為大腸桿菌編程，使它在高濃度的化學物質中發出了綠光，而在感受到較低濃度時發出紅色的光。這樣，它們就可以作為一種生物感測器來檢測人體或一些化學物質中所需要檢測物質的濃度，例如，當一些大腸桿菌發生變化時，可以引起這些人工合成的大腸桿菌發出紅色或綠色的螢光，人們就可以根據所發出光的顏色，知道這些大腸桿菌發生了什麼樣的變化。
威斯康星大學的研究人員進行了大腸桿菌基因組組合工作。大腸桿菌的基因組中一些多餘的DNA會干擾實驗室研究和工業生產的利用。因此，他們拆掉大腸桿菌中大片的遺傳物質, 將一些具有特殊功能的人造基因插入，這種變瘦的大腸桿菌基因組可以使細菌無需在實驗室中接受特殊的照顧和培養，只需要少量的食糖作為食物，就能生產出大量的生物產品。新的基因組像計算機的軟體一樣, 人們可以通過控制它的程式, 達到不同的目的。例如，可以命令它大量產生有用的蛋白質和藥物。
美國科學家最近宣布，他們首次試驗成功使細菌大“變心”的創舉，實現了在物種間進行完整基因組的“移植”手術。文特爾和他領導的研究小組先利用特殊生物酶，將一種蛋白質破壞，得到完整的“裸DNA”。然後將這個基因組注入另一種剔出了遺傳物質的近親細胞中，並加入一種化學物質幫助“裸DNA”與它的“寄主”更好地融合。“移植手術”後，經過改造的細胞開始在植入基因組的控制下，產出其特定的蛋白質。這一“里程碑式”技術的成功為首個“人造物種”的降生奏響了序曲。
目前，合成生物學研究已經取得了一些令人矚目的成就，最值得一提的是在製造特效抗瘧藥方面取得的突破。每年全世界因患瘧疾死亡人數多達300 萬，原來的抗瘧藥喹寧由於長期使用，藥效一降再降。1972 年發現的有效抗瘧藥青蒿素是從中藥艾蒿中提取的，由於提取成本高，無法大規模普及。2003 年，加州大學的傑伊· 凱阿斯林運用生物合成的方法將一個青蒿基因植入大腸桿菌，改造後的大腸桿菌製造出一種中間化合物，它經過數步處理就能成為青蒿素的原料——青蒿酸。2005 年，傑伊把一種特殊的酶植入酵母后，酵母把前面提到的中間化合物改造成了青蒿酸。現在，通過微生物工業生產青蒿素的技術鏈條已經基本成形，估計在2009 年就可以實現人工生產青蒿素，那時青蒿素的成本將下降90%。
目前，加州大學舊金山分校克里斯領導的小組正在設計一種將4 種功能不同的“生物部件”植入細胞的實驗，將這種細胞注入人體後，它可以主動承擔起發現癌細胞、殺死癌細胞和保護正常細胞的功能。這樣，在病人毫無察覺的情況下就可以將癌症治癒。這一研究目前正處於初期研究階段。維斯另一項大膽的計畫是為成年幹細胞編程，以促進某些幹細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產出合成膝關節。儘管該工作尚處初級階段，但卻是生物學調控領域中重要的進展。合成生物學帶來的喜和憂合成生物學的成功將意味著科學的極大進步。科學家預言人類不久將進入自己製造新生命的時代，人們將依賴於目前重要的研究成果——納米技術，在分子水平上製造出新的生命，這種新生命將按照人類的意志為人類造福。合成生物學通過修復細胞功能、消除腫瘤、刺激細胞生長和使某些決定性細胞再生等方式，實現治療各種疾病的目的；它可以製造出一個配備有生物晶片的細胞機器人，讓它在我們的動脈中遊蕩，檢測並消除導致血栓的動脈粥樣硬化；它可以製成各種各樣的細菌，用來消除水污染、清除垃圾、處理核廢料等；製造一種生物機器來探測化學和生物武器，發出爆炸物警告；它甚至可以從太陽中獲取能量，用來製造清潔燃料。
然而，一切新事物的出現都會存在一些問題和反對的呼聲。一些科學家擔心存在潛在的生物恐怖和環境問題，由於目前還沒有生物合成監管的相關規定，生物恐怖主義分子可能利用生物合成技術製造致命病毒或生化武器，實驗室中炮製的人造細菌也可能給環境和人類帶來更大的風險。對於這些問題是應該引起注意的，也是容易解決的。例如，這些實驗室合成的細菌極其脆弱，流失到野外將難以生存，不會污染環境。
另有一些人認為合成生物學創造新的生命是違背“上帝是唯一造物主”的倫理。從事合成生物學研究的科學家們對這種看法嗤之以鼻，他們認為生命並非魔法，懷有宗教情結的老一代生物學家已經跟不上科學的發展。DNA 雙螺旋結構的發現者沃森教授說得更加大膽：“如果我們不扮演上帝，誰能扮演呢？”
為了合成一個新的生物體，要有三步曲。第一步是為細胞“編程”，第二步是將編程的基因安裝到細胞中，第三步是進行複雜的細胞組合，使它產生不同的功能。2002 年，紐約大學的病毒學專家埃卡德·維默爾研究小組從生物技術公司購買了DNA短小片斷，並在DNA合成公司的協助下將它們連線起來，製造出了人工合成的脊髓灰質炎病毒。這項研究的成功為合成新的生命奠定了基礎。2005 年，維斯領導的小組進行了為細胞編程的研究。他們首先為大腸桿菌編程，使它在高濃度的化學物質中發出了綠光，而在感受到較低濃度時發出紅色的光。這樣，它們就可以作為一種生物感測器來檢測人體或一些化學物質中所需要檢測物質的濃度，例如，當一些大腸桿菌發生變化時，可以引起這些人工合成的大腸桿菌發出紅色或綠色的螢光，人們就可以根據所發出光的顏色，知道這些大腸桿菌發生了什麼樣的變化。
威斯康星大學的研究人員進行了大腸桿菌基因組組合工作。大腸桿菌的基因組中一些多餘的DNA會干擾實驗室研究和工業生產的利用。因此，他們拆掉大腸桿菌中大片的遺傳物質, 將一些具有特殊功能的人造基因插入，這種變瘦的大腸桿菌基因組可以使細菌無需在實驗室中接受特殊的照顧和培養，只需要少量的食糖作為食物，就能生產出大量的生物產品。新的基因組像計算機的軟體一樣, 人們可以通過控制它的程式, 達到不同的目的。例如，可以命令它大量產生有用的蛋白質和藥物。
美國科學家最近宣布，他們首次試驗成功使細菌大“變心”的創舉，實現了在物種間進行完整基因組的“移植”手術。文特爾和他領導的研究小組先利用特殊生物酶，將一種蛋白質破壞，得到完整的“裸DNA”。然後將這個基因組注入另一種剔出了遺傳物質的近親細胞中，並加入一種化學物質幫助“裸DNA”與它的“寄主”更好地融合。“移植手術”後，經過改造的細胞開始在植入基因組的控制下，產出其特定的蛋白質。這一“里程碑式”技術的成功為首個“人造物種”的降生奏響了序曲。
目前，合成生物學研究已經取得了一些令人矚目的成就，最值得一提的是在製造特效抗瘧藥方面取得的突破。每年全世界因患瘧疾死亡人數多達300 萬，原來的抗瘧藥喹寧由於長期使用，藥效一降再降。1972 年發現的有效抗瘧藥青蒿素是從中藥艾蒿中提取的，由於提取成本高，無法大規模普及。2003 年，加州大學的傑伊· 凱阿斯林運用生物合成的方法將一個青蒿基因植入大腸桿菌，改造後的大腸桿菌製造出一種中間化合物，它經過數步處理就能成為青蒿素的原料——青蒿酸。2005 年，傑伊把一種特殊的酶植入酵母后，酵母把前面提到的中間化合物改造成了青蒿酸。現在，通過微生物工業生產青蒿素的技術鏈條已經基本成形，估計在2009 年就可以實現人工生產青蒿素，那時青蒿素的成本將下降90%。
目前，加州大學舊金山分校克里斯領導的小組正在設計一種將4 種功能不同的“生物部件”植入細胞的實驗，將這種細胞注入人體後，它可以主動承擔起發現癌細胞、殺死癌細胞和保護正常細胞的功能。這樣，在病人毫無察覺的情況下就可以將癌症治癒。這一研究目前正處於初期研究階段。維斯另一項大膽的計畫是為成年幹細胞編程，以促進某些幹細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產出合成膝關節。儘管該工作尚處初級階段，但卻是生物學調控領域中重要的進展。合成生物學帶來的喜和憂合成生物學的成功將意味著科學的極大進步。科學家預言人類不久將進入自己製造新生命的時代，人們將依賴於目前重要的研究成果——納米技術，在分子水平上製造出新的生命，這種新生命將按照人類的意志為人類造福。合成生物學通過修復細胞功能、消除腫瘤、刺激細胞生長和使某些決定性細胞再生等方式，實現治療各種疾病的目的；它可以製造出一個配備有生物晶片的細胞機器人，讓它在我們的動脈中遊蕩，檢測並消除導致血栓的動脈粥樣硬化；它可以製成各種各樣的細菌，用來消除水污染、清除垃圾、處理核廢料等；製造一種生物機器來探測化學和生物武器，發出爆炸物警告；它甚至可以從太陽中獲取能量，用來製造清潔燃料。
然而，一切新事物的出現都會存在一些問題和反對的呼聲。一些科學家擔心存在潛在的生物恐怖和環境問題，由於目前還沒有生物合成監管的相關規定，生物恐怖主義分子可能利用生物合成技術製造致命病毒或生化武器，實驗室中炮製的人造細菌也可能給環境和人類帶來更大的風險。對於這些問題是應該引起注意的，也是容易解決的。例如，這些實驗室合成的細菌極其脆弱，流失到野外將難以生存，不會污染環境。
另有一些人認為合成生物學創造新的生命是違背“上帝是唯一造物主”的倫理。從事合成生物學研究的科學家們對這種看法嗤之以鼻，他們認為生命並非魔法，懷有宗教情結的老一代生物學家已經跟不上科學的發展。DNA 雙螺旋結構的發現者沃森教授說得更加大膽：“如果我們不扮演上帝，誰能扮演呢？”
發展
最近20年來，對生命基本信息分子DNA的研究，使得出現了像克隆動物、生產轉基因食品和藥品等奇蹟。 現在在一些大學和獨立的實驗室里，有許多正在進行的科研項目，科學家們正在從一個全新的角度開發基因工程。根據傳統的模式，掌握基因———基因的片斷，能夠把它由一個生物轉移到另一個生物。而新的項目能夠使用在實驗室里製造的合成DNA，製造出自然界中不存在的病毒和細菌。這些生物被指定執行各種有益於人類和地球的任務，如進入血液循環以探查和破壞腫瘤，消滅導致地球變熱的有害氣體。這些進程正在進行中，它構成一個科學的分支，即合成生物學。美國麻省理工學院人工智慧實驗室工程師湯姆·耐特說：“自從地球上開始出現生命，基因編碼已經存在了360萬年，現在到了重新排列它們的時候了。”
基因圖譜和“生物磚塊”
合成生物學取得的進展是建立在對生物基因圖譜越來越多的了解上。第一個基因圖譜的排序1995年完成，它是對一種細菌基因圖譜進行排序。此後，對幾種動物的基因圖譜進行了排序。這些成果的取得，使得人們於2003年製造出人工病毒。目前，科學研究還集中於通過掌握DNA來控制細胞的功能。普林斯頓大學的科研人員羅·衛斯認為：“用不了多久，我們就能夠像設定一台電腦那樣，對細胞的行為進行設計。”2年前，衛斯重新編排了埃布氏菌的基因程式，使這種細菌之間能夠相互交接，使試管中的顏色發生了變化。
為了尋求修改細菌的行為，合成生物學引進了電器工程的概念，用所謂“生物磚塊”表述，即兩端可連線的合成DNA片斷。“生物磚塊”可以直接與細胞中的DNA組裝連線，就像組裝一個玩具一樣，一旦連線後，每個“生物磚塊”就會修改一種細胞功能。目前只是進行一些簡單的試驗，如使用“生物磚塊”讓某種細菌產生芳香或發光。
麻省理工學院開發“生物磚塊”項目的生物學家德萊烏·恩迪說，將來把“生物磚塊”與細菌連線起來後，會激發更複雜的過程，比如探測和治療疾病，甚至製造燃料。“生物磚塊”就像電路中的開關器，它可以在細胞內部開啟或關閉細胞的功能。現在已經有一些合成生物學項目接近或達到了自己的目標。
加州大學化學家傑伊·肯斯林製造出一種用於治療瘧疾的微型組織。治療瘧疾最有效的藥物之一是一種艾蒿提取物，但製造這種物質的工業過程複雜而昂貴，而肯斯林使這一過程變得簡單而低廉。
隱憂
在慶祝這些成績的時候，合成生物學研究人員對這種強大的技術可能會被某些個人利用而感到十分擔憂。主要擔心是這可能被恐怖分子利用來製造生物武器，另一個擔心是這些人工生物在實驗室外如何作出反應，如何與大自然結合。 阿拉莫國家實驗室物理學家斯蒂恩·拉斯蒙森說，這些新的生命是鮮活的，它們會進化，因此，必須建立伴隨它們數量增加而引起變化的必要防禦措施。 最後，科研人員們還擔心業餘愛好者們的行為：今天，只要有5萬美元，就可以裝備一個二手設備的生物技術家庭實驗室；在英特網上，已經有網頁在教授從細胞中分離DNA以及在紫外線下製造發光菌，人們不受限制地接觸這些信息會產生什麼樣的後果將難以預料。
阿拉莫國家實驗室物理學家斯蒂恩·拉斯蒙森說，這些新的生命是鮮活的，它們會進化，因此，必須建立伴隨它們數量增加而引起變化的必要防禦措施。
最後，科研人員們還擔心業餘愛好者們的行為：今天，只要有5萬美元，就可以裝備一個二手設備的生物技術家庭實驗室；在英特網上，已經有網頁在教授從細胞中分離DNA以及在紫外線下製造發光菌，人們不受限制地接觸這些信息會產生什麼樣的後果將難以預料。
註解
合成生物學,也可翻譯成綜合生物學，即，綜合集成，英文(synthetic)在不同地方翻譯成不同的中文，比如綜合哲學(synthetic philosophy)，還綜合醫學(社會\心理\生物模式)又被SysBioEng.com或genbrain biosystem network1999年(中國人建於德國，探討生物系統分析學biosystem analysis與人工生物系統artificial biosystem，包括實驗、計算、系統、工程研究與套用，以及天然與人工生物系統進化的泛進化理論structurity：pan-evolution theory)採用英文synthetic來表達，同時也被該網站歸屬於研究人工生物系統的系統生物工程範疇。21世紀是系統生物科學與工程 - 也就是生物系統分析學與人工生物系統的時代，將帶來未來的科技與產業革命。系統(system)、整合(integrative)、合成(synthetic)/綜合生物學各有偏重點，系統(system)、結構(structure)、圖式(patten)*遺傳學也存在偏重點，但整個屬於系統生物科學與工程領域，系統科學方法與原理源自坎農的生理學穩態機理和圖靈的計算機模型及圖式發生的研究中誕生，又套用於生物科學與工程。(*在計算機科學中的圖形識別被翻譯成模式，但生物學中又有將model animal翻譯成模式動物，在認知心理學和發育生物學中也有的翻譯成圖式，因此綜合翻譯成圖式)
