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人工DNA制造活细胞取得成功

日期:2014-05-13 00:00:00

但在《自然》(Nature)杂志网站上发表的这项研究,势必会引发人们对安全的担忧,并且带来“人类是否正在扮演上帝”的问题。这篇论文发表后,要求对这个科学领域加强监管的呼声可能会趋于强烈。该领域名为合成生物学(synthetic biology),涉及为特定目的创建生物系统,目前还处于萌芽状态。

“假以时日,这种前所有未的‘外来’生命形式可能会在伦理、法律和监管方面产生深远影响。”加拿大权益倡导组织ETC集团(ETC Group)的吉姆·托马斯(Jim Thomas)在一封电子邮件中说。“这个领域正在风起云涌,合成生物学家发明了玩弄生命基本元素的新方法,而政府连监督、评估、监管该领域的基本对策都还没有准备好。”

尽管地球上的生命千差万别,但是从简单的细菌到人类,所有物种使用的遗传密码都是相同的。它由DNA中的四个化学单位组成。这些化学单位有时也被称为核苷酸或碱基,通常用字母A、C、G和T来表示,它们决定了细胞生成哪些蛋白质。而这些蛋白质又反过来完成细胞在机体组织和器官的结构、功能和调节方面需要进行的绝大部分工作。

斯克里普斯研究院的研究人员使用化学方法,生成了两个新的核苷酸,称为X和Y。他们把一对XY导入常见的大肠杆菌中。结果细菌可以正常地复制,虽然速度比平常稍慢一点,但确实可以像复制天然的核苷酸一样复制X和Y。

因此,这个细菌的遗传密码有六个字母,而不是原来的四个,而细菌生成的新的蛋白质,可能会以完全不同于自然生成的蛋白质的方式发挥作用。

“这就如同你有一种语言,拥有一定数目的字母,你想再添加一些字母,以便写出更多的词,讲述更多的故事,”斯克里普斯研究所的化学家弗洛伊德·E·罗姆斯伯格(Floyd E. Romesberg)说,他是这项研究的负责人。

罗姆斯伯格博士说人们不用担心新生物失控并造成危害,他表示这项技术是安全的,因为合成的核苷酸被导入到了细菌中。如果这些细菌逃逸到了环境中,或者进入某种生物体内,它们将无法获得合成活动所需的原料,因此要么死亡,要么恢复到只使用天然DNA的状态。

“永远不会有别的东西被感染,”他说。这也是他参与创办的Synthorx企业正在考虑采用该技术来培养一些病毒或细菌,让它们成为活疫苗的一个原因。活疫苗进入血液之后,可能会诱发免疫反应,但却不会复制。

扩大后的遗传字母表的一个可能用途是让细胞生成新型蛋白质。

蛋白质是由氨基酸串在一起形成的,DNA中三个核苷酸的组合方式,确定了氨基酸的种类。细胞根据这些指令,把氨基酸串在一起,从而形成蛋白质。除了极少数例外情况,生命体只使用20种氨基酸。

但也有很多氨基酸,如果用在蛋白质中,可能会产生新的功能。Ambrx企业正在尝试把新的氨基酸导入某些蛋白质。这些蛋白质可被用在制药领域,让药物更加有效地杀灭肿瘤,或者使有效成分在血液中停留的时间更长。Ambrx企业位于圣地亚哥,目前已经提交到上市申请。

《自然》那篇文章提到的细菌,每一个中只有一对XY核苷酸。目前还不知道一个细胞里能不能含有很多对这样的XY核苷酸。也不清楚细菌携带这种外来遗传密码能够生存多久。文章提到,在15小时里,只完成了大约24次复制。

最重要的是,研究人员还没有证实,人工核苷酸可以真的被细胞用来生成蛋白质。那需要对细菌进行更多的遗传工程改造,尽管其他人之前的研究显示这有可能办到。

佛罗里达的本纳博士正在尝试对一些细胞进行基因工程改造,让细胞能够自己生成非天然核苷酸。如果成功的话,细胞就能自主生存下去,并且变得更加有用,他说。

但罗姆斯伯格博士及其同事采用了一个较为简便的办法。由于植物中的叶绿体可以从周围组织导入核苷酸,而其他研究人员已经找到了控制这种能力的基因,所以斯克里普斯研究所把一个海藻基因植入大肠杆菌,让细菌可以从它们生长的培养基中汲取X和Y核苷酸。

“他们想出了一些相当聪明的办法,取得了现在的成果,”斯坦福大学的化学教授埃里克·T·库尔(Eric T. Kool)说,他也是这个领域的研究者。“很显然,非自然遗传结构有一天可以稳定地复制下去,而这一天正在到来。”

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