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生物狂人文特尔要借助机器合成生命？

知识分子 · 公众号 · 科学 · 2017-06-20 06:59

正文

► 克雷格·文特尔，图片来自usatoday.com

编者按：

当下地球面临的种种危机，令我们总是寄希望于终有一日逃离地球，飞往另一个可宜居的星球，至于我们应该如何到达那个星球以及在我们有限的生命里能否到达，估计没人能给出合理的方案。近年发现的类地行星开普勒452b，与地球大小非常接近，但是它距离地球非常遥远，1400光年，即使我们乘坐当下最先进的飞行器，飞行1400年也到达不了这个星球。

生物狂人克雷格·文特尔在《光速人生》（Life at The Speed of Light）一书中，给了一个很有意思的解决方案: 那就是让“生命”乘坐“时空隧道”以光速飞向另一个星球。不过这里的生命仅指生命密码，由A、C、T、G组成的生命的密码与计算机中的基本语言0和1可以互换，生命密码可以电磁波形式向外太空传输。

至于生命的密码到达另一星球，该如何自动合成，这就是5月29日文特尔研究团队发表在《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）上的一项研究提出的可能解决方案。不过其离真正的生命个体合成还非常遥远，目前仅限于遐想空间。梦想是要有的，万一它实现了呢？

撰文 | 田埂（元码基因）

责编 | 叶水送

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长期以来，分子生物学家都希望从设计一段DNA序列到拿到这个序列相关的活性物质，这之间所有的实验完全通过机器来实现。

近日，由克雷格·文特尔（Craig Venter）和丹尼尔·吉布森（Daniel Gibson）开发的Digital-to-Biological Converter（DBC）实现了这一目标，相关研究发表在《自然-生物技术》杂志。据介绍，这是同类工作中，第一篇发表的同行评议论文。

► 文特尔的搭档，本项研究的主要作者Daniel Gibson

传统的同类实验大概要花费至少一周的时间，由训练有素的实验人员完成。基本操作过程包括：设计需要合成的基因，由合成软件将要合成的基因，拆解成DNA合成仪可合成的短片段。

受到化学合成准确性的限制，目前还是以合成约60～70个核苷酸，通常实验室无法完成DNA合成的工作由商业公司完成，比如合成的基因片段长4000个碱基，那么我们至少需要合成4000/70=58条的单链核苷酸。这个过程通常要花费两三天时间，然后将这些短的单链DNA组装，并通过PCR的方法使其形成双链DNA，再将双链DNA装入到载体质粒里面，通过非细胞（或者细胞）结构的转录和翻译体系进行转录翻译，并最终得具有活性的蛋白。

► 从序列到具有生物活性的RNA、蛋白质以及病毒粒子，图片截自Nature Biotech

► DBC真容，尽管看上去没那么高大上，但是它却能从实现从数字到生命过程的全自动转变，图片截自Nature Biotech

整个实验过程通常要使用数个设备，如PCR仪、恒温培养箱、凝胶电泳系统和凝胶成像系统、纯化系统等，主要过程包括DNA的合成，组装和扩增，载体的连接，转录和表达等几个重要阶段。

此次设计的DBC集成化程度很高，甚至集成了DNA合成仪，它还采用了2X96的格式进行DNA合成，因此最大的合成通量定在了约为2X96X70=13440个碱基，可简单地理解为13440碱基之内的DNA都可以直接合成。研究者只需要输入设计好的DNA序列，DBC就可以按照既定的程序，从合成短片段的单链DNA开始，一直到最后阶段的蛋白表达，均可集成到一个自动化系统里面，可以说是一键完成了。此外，作者还优化了RNA疫苗的合成、病毒的复制以及噬菌体的产生等可能的使用领域。

但DBC也非横空出世。在这之前，硬件的主要提供商SGI—DNA公司已经有了从基因到克隆的自动化产品，只是集成的功能不如DBC强大。合作方Synthetic Genomics公司旨在人工设计和合成基因组，正如之前文特尔研究组合成的人工生命体Synthia一样，通过化学合成的方法合成基因组，将其导入到去掉染色体的细胞结构中，产生新的生命。真有些强大到没朋友的感觉。

DBC是人类向合成生命探索的一个阶段性成果，在合成生物学实验室推广DBC，将大大加速人工合成基因的效率，加速人工合成生命的发展。不过客观地讲，DBC并非革命性的工作，DBC是将原来需要人工完成的工作自动化、集成化，并没有新的设计思路。