人工能干预生命形态吗

    美国的科学家成功将人工设计的碱基，即自然界中原本并不存在的碱基，插入一种细菌的基因组中。这些带有人工碱基的细菌又成功复制了人造的遗传物质，并产生了后代，出现了可持续繁殖的半人工生命。这意味着，科学家向生物基因组里加入了两个新的人造“零件”。利用这些新的“零件”，科学家或许会创造出更复杂的生物，并合成自然界没有、而人工方法又不易合成或提纯的药品。

碱基“写成”生命的DNA

    根据科学分析，每一个人拥有400万亿个细胞。除了红血球外，人体细胞都拥有一个由46种染色体组成的细胞核，染色体本身又由DNA构成。DNA分子由两条很长的糖链结构形成“骨架”，通过碱基对结合在一起，就像梯子一样。整个分子环绕自身中轴形成一个双螺旋。在形成稳定螺旋结构的碱基对中，共有4种不同碱基。依据它们英文名称的首字母，分别被称为A、T、C、G，对应的中文名称分别为：腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶、鸟嘌呤。此外，还有一种碱基U，即尿嘧啶，只出现在另外一种遗传物质RNA里。

    这些自然界原本就有的碱基，有各自固定的搭配，例如，A总与T配对，G总与C配对。这些碱基沿着DNA“骨架”排列。多个碱基的独特顺序就构成一个基因，就像“字母”组合成“词语”一样。而每个基因可能会有几百甚至几万个碱基组合。因此，地球上所有生命的DNA都由A、T、C、G这些“字母”写成，一切生物多样性都由它们承载。三十八亿年来，地球上的生命都是遵从这一规律的安排繁衍生长。

    科学家却不满足这样的规律。早在20世纪60年代，已经有科学家在思考，生命是否能用其他化合物存储遗传信息。但直到1989年，人类才获得实质性突破。瑞士联邦技术中心的斯蒂芬·本纳将特殊形式的C和G碱基加入DNA。这些碱基被研究者称为“滑稽字母”，但结果并不滑稽，反而相当振奋人心——DNA在试管中能自我复制，并能转录成RNA，合成蛋白质。

    近些年来，还有不少关于“新碱基”的报道。但它们要么不能稳定复制，要么是利用生物体内的“普通”碱基修饰而来，在严格意义上，都不是真正的“新碱基”。

    2014年3月27日，纽约大学的一个研究团队报告了生物合成学领域的一次重大飞跃：他们重新设计并合成了一条酵母菌的染色体，并把这条染色体成功整合进活体酵母菌细胞之中。而携带这条合成染色体的酵母菌细胞表现正常，与野生酵母菌细胞几乎一模一样，而且比野生酵母菌多了些新的功能。研究团队负责人、遗传学家杰夫·伯克认为，这是一项具有里程碑意义的研究成果，“就像第一个人类基因组测序完成一样”。

从试管进入活细胞

    美国加州斯克里普斯研究所资深科学家弗洛伊德·罗姆斯伯博士对此有更大胆的想法：制造全新的碱基。他说：“设想一下，如果英语只有四个字母，比如有三个辅音和一个元音，也许可以写几个词，用它讲几个粗糙的故事。但是如果多几个字母，人们就能多写很多东西。能够储存更多的信息，能写更有意思、更复杂、更微妙的词，更好的讲故事。”

    “地球上所有生命仅源自两个DNA组合，即A-T和C-G的多样性，目前我们复制的这种生物体包含着第三对非自然DNA组合。不是说我觉得生命‘需要’更多的遗传信息，但是我认为，如果我们给生命以使用更多字母的能力，我们对它的理解会深入很多，也能开发出更多种类的药物。”因此弗洛伊德·罗姆斯伯的团队致力于创造一对新的互补碱基，其结构和已知碱基完全不同，并把它放进了最常见的实验室细菌——大肠杆菌里。

    2014年5月，他们首次将人工设计的碱基——即自然界中原本并不存在的碱基——插入大肠杆菌基因组。当大肠杆菌复制时，这些人造碱基也成功复制了，而且至少能复制24轮。这些带有人工碱基的大肠杆菌产生了后代，制造出了可持续繁殖的半人工生命。这是弗洛伊德·罗姆斯伯尝试的三百多种人造碱基中，第一个能被细胞的复制机制识别的碱基组合。这种含有人工碱基的DNA有望改造现有生命形态，指导生物体合成前所未有的蛋白质类型，拓宽蛋白质功能。“这非常激动人心。”得克萨斯奥斯汀大学的罗斯·泰尔在《自然》上发表评论说，“从试管到活细胞是巨大的进步。”

    罗姆斯伯介绍说，他们研究新碱基已经有15年。他们先人工合成各种碱基类似物，然后测试产物是否能被负责复制DNA的聚合酶识别。在约300种化合物中，筛选出了60种候选组合。从2008年开始，该团队试图从候选组合里寻找全新的“碱基配对”，在3600种组合中，他们发现d5SICS和dNaM很有希望，将其命名为X和Y。实验证明，这对人造碱基在试管中能自我复制，而且被转录成了RNA。不过，它们的配对有些勉强，不像普通碱基那样稳定。

    虽然使用了X和Y的代号，但是罗姆斯伯说，这对碱基的真正名字是d5SICS—dNaM。“这挺尴尬的，我们的名字糟透了。这名字只是非常复杂的化学名的简写。”罗姆斯伯解释道，因为他的实验室过去几年里探索了如此多的人工碱基，“我们没法给每个都起上诸如X、Y、α或者β这样可爱的名字——实在太多了。”实际上，研究中更大的挑战在于“体内实验”，如果新DNA不能在生物体内稳定存在并复制，那么这项研究的意义就会黯淡许多。

可能创造更复杂生物

    那么，科学家是如何将人工制造的碱基组合插入到生命体中，来扩展“生命字母表”的呢？他们的办法非常巧妙：某种藻类植物的叶绿体基因被编入大肠杆菌后，能合成特殊的转运蛋白，可将新“零件”——人工碱基转入细菌体内。含有一对新碱基的DNA顺利进入大肠杆菌，当大肠杆菌成长并分裂时，新碱基也跟着DNA一起复制。罗姆斯伯提供的数据显示，人工碱基至少复制了24轮，并维持了近一周时间。当人工碱基不再供给时，大肠杆菌用天然碱基替代了它们。这显示新技术具有极高的安全性。即使有细菌逃逸到自然环境中，因为没有人工碱基，所以注定死去或用天然碱基。

    在研究中，机构研究人员介绍说，将人工合成碱基组合植入活体生物细胞需要克服诸多困难，比如，人工碱基对需要与天然碱基对融合以保持DNA结构稳定。此外，DNA在自我复制及转录的过程中，人工碱基组合必须能在拉链样结构的DNA链中成功地“分分合合”，还要避免被DNA修复机制当作“外来者”而清除掉。所以，实验必须要克服这些困难。

    虽然此次研究中的人工碱基对还不能参与制造新型蛋白质，但从理论上说，引入X－Y碱基，新增加两个字母，DNA就有望从4进制升格为6进制，6种碱基意味着更多的排列组合，更庞大的氨基酸编码库，可将构成蛋白质的氨基酸提升到172种，而目前生物体内的蛋白质是由20种基本氨基酸构成的。

    “有没有可能添加更多的碱基呢？”罗斯·泰尔在《自然》的评论中说，“能不能用这些新零件创造出更复杂的生物呢？”

    看来，完全人造的生命或许都不再是空想。在评论的结尾处，罗斯·泰尔说，“而今的遗传学发现了一种机制，可以诞生更加丰富的生物形态，并有可能创造更加美好的生物学未来”。

    实际上，科学家对人工碱基的研究并非只是为了兴趣和对生命的理解，而是为了人类医学药物的发展。人工碱基的引入可以修饰生物的DNA，利用这些生物体，可以合成自然界没有、而人工方法又不易合成、提纯的药品。例如，开发这种人工碱基的斯科瑞普研究所已经成立了一家公司，尝试用这一新技术研发新的抗生素、疫苗和其他产品，尽管距离实际应用还有相当的距离，但这一小步已开启了无限的未来。

    （作者为天津广播大学民生学院助理研究员）