前 言 我的“薛定谔演讲”
引 言 合成生命时代向我们走来 /001
薛定谔认为,生命现象一定能通过物理学和化学来解 释,染色体一定包含了“很多种能够决定个体未来发 展的完整模式的密码本”。1953 年,沃森和克里克发现了 DNA 双螺旋结构,这标志着人类迈出了重要一步; 2010 年,文特尔利用合成 DNA 创造了第一个“人造细 胞”,这预示着合成生命时代向我们走来。
第一部分 生命是什么
01 “合成生命”是可能的吗? /013
德国化学家维勒通过化学方法合成尿素,虽然并未对 “活力论”造成实质性影响,却吹响了反击的号角。我们唯一需要做的就是用化学物质创造出一个人造生命。 当我们创造第一个合成细胞时,我们在某种意义上“扮 演了上帝的角色”。
合成尿素,一个对神秘生命力说“不”的故事
形形色色的“活力论”
冯 · 诺依曼的“细胞自动机”
合成生命时代的到来
02 数字生命的曙光 /037
我们原以为,DNA 过于简单,不可能携带遗传信息, 只有蛋白质才能在细胞分裂时将足够多的信息从一个 细胞传递给另一个细胞。但实际上,正是 DNA 这个生 命的软件,管理着我们的细胞。限制性内切酶的发现 和基因拼接技术的出现,为分子生物学的蓬勃发展奠 定了坚实基础。
遗传物质:蛋白质,还是 DNA ?
分子生物学的兴起
蛋白质:生命的硬件
布朗运动:生命的驱动力
第二部分 生命的合成
03 解码生命,从基因测序开始 /067
噬菌体phiX 174 的基因测序最初是用“桑格测序法”完成的。不过,桑格测序法速度慢,测序难度大。20 世 纪 90 年代,文特尔利用独创的“全基因组霰弹测序法” 快速完成了流感嗜血杆菌和生殖支原体的基因组测序。此时,一个更大的难题摆在人们面前:怎样合成一个 完整的基因组?
桑格测序法
全基因组霰弹测序法
最小基因集
新挑战:完整基因组的合成
04 噬菌体phi X174的合成 /087
20 世纪 60 年代,阿瑟·科恩伯格利用 DNA 聚合酶在实验室成功复制了 phi X174 噬菌体的基因组并成功激 活。那时,基因测序技术还未出现。phi X174 也成了文 特尔第一个 DNA 合成的目标。实验表明,包含 5 384 个碱基对的 phi X174 合成 DNA,在进入大肠杆菌后,能 够感染、复制,并且杀死大肠杆菌的细胞。人工合成 病毒取得了成功!
科恩伯格,探索生命奥秘的先锋
精度,合成基因组的关键
大功告成:第一个合成传染性病毒 phi X174 诞生
伦理问题
05 第一个基因组的合成 /113
文特尔把第一个合成基因组的目标瞄向了生殖支原体。这种生命体的基因组拥有 582 970 个碱基对,合成的 精确度要求是每 10 万个碱基对中的错误少于一个。完 整基因组的组装是在酵母细胞中进行的。实验证明, 有 17 个细胞包含了完整的生殖支原体基因组,甚至连 插入的水印“文特尔研究所”都清晰可见!
目标:合成 582 970 个碱基对
准备高精度的 DNA 序列数据
合成基因组的组装
重大突破:第一个合成支原体诞生
06 把一个物种转变为另一个物种 /131
为了向“合成生命”再迈进一步,文特尔决定将丝状支原体的基因组向山羊支原体移植。对“蓝色菌落”的测 序结果表明,所有的序列都只与移植到受体细胞的丝状 支原体基因组相匹配,文特尔和他的团队成功地实现了整个基因组的移植,完成了“不可能完成的任务”。
历史上的细胞核移植
基因组移植:从丝状支原体到山羊支原体
蓝色菌落,移植成功的重要标志
“不可能完成的任务”:改变物种!
07 第一个人造细胞的诞生 /149
若想创造出一个“合成生命”,必须解决两大难题。一个难题 是宿主细胞中的限制性内切酶会摧毁被移植的基因组;另一 个难题是生命对合成基因组的精度要求非常高。“甲基化”和 高精度“桑格测序法”,让两大难题迎刃而解。培养皿中的“蓝 色菌落”宣告了第一个人造细胞的诞生!正是因为这一成果, 人们称文特尔为“人造生命”之父。
无法绕过的两个难题
甲基化,合成基因组移植的关键
生死之间:一个碱基对的对错
奇迹出现:第一个有生命的合成细胞
第三部分 生命的未来
08 “合成生命”究竟意味着什么? /171
关于什么是“合成生命”,什么是“合成细胞”,文特尔给出 了他的定义:这些细胞是完全由人工合成的 DNA 染色体所控制的。由于合成基因组既需要使用一个已存在的基因组,还需要使用一个自然受体细胞,因此,“合成生命”不能算是“从 头到尾”的真正合成。创造一个“通用受体细胞”,成为摆在科学家面前的一个新课题。
什么叫“合成生命”
有个“通用受体细胞”就好了
新探索:细胞间的合作
09 设计生命 /187
未来,在创造真实的细胞之前,我们可以先设计一个 虚拟细胞,用它来对我们的设想进行检验。国际基因工程机器设计大赛(iGEM)吸引了无数才华横溢的年轻人参与 “操控生命的软件”的实践活动。这些来自实践的真知,提高了我们设计基因组的能力,进一步加快了我们合成新生命的进程。
生命的计算机建模
iGEM 大赛
安全与伦理
10 造福人类的“生命瞬间转移” /213
文特尔正在完善一种技术,它可以让我们以电磁波的形式发送数字化的 DNA 密码,然后在一个遥远的地方 用一种独特的方法来接收这些数字化的 DNA 密码,从 而重新创造生命。从目前来看,“生命瞬间转移”技术 的最新应用,可能是流感大暴发时的疫苗分发,或者用噬菌体疗法对付“超级细菌”。
瞬间转移,人类永恒的梦想
快速提供疫苗
快速提供噬菌体
结语 只需4.3分钟传回基因信息，我们就能重造火星人／237
假设火星上的生命与地球上的生命都是基于 DNA 的, 假设火星有生命或者曾经有过生命,假设火星上有一 个基因测序设备,可以读取任何有可能存在于那里的“火星人”的 DNA 序列,那么,只需要 4.3 分钟把“火星人” 的基因序列发送回地球,我们就可以在地球上的实验室里重 造“火星人”!
译者后记 /249