生命的密码可以改得面目全非

▲这项研究的领导者，哈佛大学遗传学系教授丘奇（南方周末资料图/图）

当地时间9月21日，汤森路透发布了其2016年度的引文桂冠奖（2016 Thomson Reuters Citation Laureates）获奖名单。这一奖项的评选依据是科学家的研究论文在相关领域被其它论文的引用情况（主要是过去三十年间论文的被引用频次）。从2002年汤森路透开始发布引文桂冠奖以来，被授予该奖的科学家中已经有39位获得了诺贝尔奖。由于获奖者中颇高的诺奖获奖率，引文桂冠奖如今被认为是未来几年内诺贝尔奖的风向标。

在这份涵盖物理学、化学、生理学或医学和经济学四个领域的24人名单中，乔治·丘奇（George M. Church）赫然在列。丘奇是美国哈佛大学遗传学系教授，被公认为是一个新兴的生物学领域——合成生物学（Synthetic Biology）的领军人物（他也是这一领域的开创者之一）。他近年来的研究成果正在不断地拓展人类改造生命能力的极限，并屡屡登上各大媒体的新闻头条。就在不久前，他的研究小组在国际顶级科研期刊《科学》上发表了一项研究成果，对生物体的基因组进行了史无前例的“改写”。这项研究使人类在大规模改造生命，甚至创造全新的人工生命的道路上又迈进了一步。

除了病毒以外，所有生命体的遗传信息都储存在DNA里（有一些病毒的遗传信息储存在RNA里）。虽然不同物种的DNA中所储存的遗传信息各不相同，但所有生物的DNA都是由A、C、G、T四种相同的“模块”，或者说“字母”，“手牵手”组成的。为了保证遗传信息能够被忠实地传递给自己的子代，生物体的DNA都由两条“互补”的单链构成。每条单链都由这四种“字母”按特定的顺序“手牵手”而成。由于四种“字母”的化学特性，它们正好能够通过相互作用两两“配对”：A能和T“配对”，C能和G“配对”。两条单链“互补”是指一个DNA分子中一条单链上的A的“对面”（另一条单链的对应位置）总是T，一条单链上的C的“对面”总是G。通过这种相互作用，两条单链就被“捆绑”到了一起，形成了双链的DNA。当生物体的细胞为细胞分裂做准备，开始复制DNA的时候，细胞会把DNA的双链分离开，以每一条单链作为“模子”（模板），把A、C、G、T按照这种互补原则添加到新合成的DNA单链中去，最后产生两条双链的DNA。这种“半保留”形式的复制方式使细胞中的遗传信息得以忠实的代代相传。自然，这个能工巧匠，只用四个“字母”就写就了基因组（基因组是指一个生物体的DNA中所包含的全部遗传信息）这本“生命之书”。

在基因组存储的遗传信息中，有很大一部分都是用来编码蛋白质的。和DNA类似，蛋白质也是由有限种类的“模块”“手牵手”组成的大分子物质。与DNA不同，组成蛋白质的“模块”是氨基酸，总共有二十种。在生物体的基因组上，编码蛋白质的一个个基因就像一张张“图纸”。每张“图纸”都储存着所编码蛋白质的序列信息（也就是蛋白质中氨基酸的排列顺序）。

由于四种“字母”无法与二十种氨基酸建立起一一对应的关系，生物体使用了三联体密码子来编码氨基酸：每三个字母组成一个密码子，对应于一种氨基酸。由于四种“字母”可以搭配出64（43）种密码子，所以虽然每一种密码子只对应于一种氨基酸，但是每一种氨基酸有不止一个密码子（在64种密码子中有3种不编码任何氨基酸，而是作为蛋白质合成的终止信号）。

▲（南方周末资料图/图）

在丘奇研究组的这项新研究中，科学家对大肠杆菌的基因组进行了大规模的“改写”。他们把64种密码子中的7种从大肠杆菌的基因组中一个不剩的全部去除掉了。这7种密码子分别被科学家替换成了这些密码子所编码的氨基酸的另一种密码子（比如说用TCA替换掉了基因组中的AGC，两者编码的都是同一种氨基酸，因此彼此是同义密码子）。这些科学家使用的大肠杆菌菌株的基因组由大约400万个“字母”组成。整个基因组中这7种密码子的总数为62,124个，这种替换总共对基因组中148,955个“字母”进行了“改写”。虽然在此之前就有实验室（包括丘奇自己的实验室）成功的对基因组中的单个密码子进行过部分的替换，这样多密码子、大规模的彻底替换还是有史以来的第一次。更为重要的是，这项研究表明，对生物体的基因组进行大规模的“改写”，只要方式恰当，是可行的。这一可行性意味着人类在未来可能对各种生物体进行大规模的改造，甚至设计创造出全新的生命。

从某种程度上来说，这项研究可能用“书写”更合适。因为科学家并不是在大肠杆菌的基因组上对这些“字母”进行替换的。他们用了一种更加“激进”的方式：从零开始，完全人工合成出整个大肠杆菌的基因组，在合成过程中，直接用同义的密码子顶替上述的7种密码子。

出于成本和技术等方面因素的考虑，科学家并没有采用一次性的合成出全基因组的策略。在对基因组的序列进行各方面的分析之后，他们首先确定了分别用哪些密码子来替换上述7种密码子（并不是随意地使用某个同义密码子来进行替换的。具体原因专业性过强，本文不赘述）。这些科学家把整个基因组划分成了87个区域（或者说片段），每个片段包含大约50,000个“字母”。这些片段又被细分为更小的子片段，每个子片段包含2000-4000个“字母”（为了便于“组装”，相邻的子片段有部分的重叠）。在合成整个大肠杆菌的基因组时，科学家们会首先合成出每个片段的子片段，然后以酵母作为“加工平台”，在酵母细胞里把这些子片段“组装”起来，得到这87个片段。科学家随后又把这87个片段进一步的“组装”到一起，得到这个被大规模“改写”的基因组。

▲在这项研究中，科学家把大肠杆菌基因组中的7个密码子彻底地替换去除掉了。（南方周末资料图/图）

要对生物体进行大规模的改造，简单地合成出“另类”的基因组是没有意义的，还需要这些基因组能够支持生物体正常地生长和繁殖。基于这一原因，科学家对这87个片段的功能性（实际上是每个片段中被“改写”的基因的功能性）一一进行了验证。

在验证的时候，科学家们会把在酵母“加工平台”上组装起来的片段（50,000个“字母”的片段）引入到大肠杆菌中。他们随后会把大肠杆菌DNA上对应的片段删除掉。如果大肠杆菌仍然能够正常地生长繁殖，那么就说明这段“改写”过的片段能够接替原片段的功能。如果大肠杆菌不能正常地生长繁殖，科学家会对这个合成出的片段上被“改写”过的基因一一进行检测，找到问题出在哪一个基因的哪一个被替换的密码子上。截至目前，科学家已经对55个片段完成了功能性的验证。验证的结果发现99.5%的被“改写”过的基因能够接替对应基因的正常功能。至于那剩下的0.5%，科学家们在进行更加细致的分析之后，换了另一个同义密码子来进行“改写”。研究发现，这些调整了“改写”策略的基因也能成功地接替相应基因的正常功能。虽然目前功能性验证的工作尚未结束，但是根据目前的结果，有理由相信只要策略得当，即使经过大规模的“改写”，生物体的基因组仍然可能支持其正常的生长和繁殖。

这项研究以及它所指明的方向在未来有着异常广阔的应用前景。以农作物对病毒的抗性为例，理论上来说科学家在未来可以把农作物基因组中的一部分密码子彻底地去除掉，并进一步的把蛋白质合成过程中与这些密码子相关的其它一些元件也去除掉。由于遗传隔离（Genetic Isolation）这些农作物就可能对病毒产生抗性。之所以对病毒产生抗性，是因为病毒的复制需要“劫持”农作物的细胞：病毒侵入细胞之后，会利用细胞合成蛋白质的“工具”来合成自己的蛋白质。如果科学家用TCA替换掉了细胞基因组中的AGC，这对农作物自己并不会有太大的影响（前提是用恰当的同义密码子进行替换）。对于病毒来说，情况就完全不同了，因为病毒的基因组中仍有AGC这个密码子。由于农作物细胞中和AGC对应的蛋白质合成的各种元件已经被去除掉了，所以当蛋白质合成到AGC这个密码子时就无法再继续了。病毒的蛋白质都无法正常合成，复制就更不可能了。

实际上除了相对简单的改写生物体的基因组以外，合成生物学领域的科学家近年来可以说是在“变着花样”地尝试对生命进行改造。

彻底替换掉基因组中的某些密码子不仅能帮助农作物形成对病毒的抗性，那些被替换掉的密码子还可以被挪作他用。2013年，丘奇实验室的科学家与耶鲁大学的科学家合作，首先把大肠杆菌基因组中的密码子TAG（TAG是终止密码子，不编码氨基酸，作用是“告诉”细胞的蛋白质合成“机器”，蛋白质的合成到此为止。）彻底替换掉，然后在对细胞蛋白质合成的相关元件进行改造之后，把TAG添加到大肠杆菌的基因组里，用来编码一类“非标准氨基酸”（Nonstandard Amino Acids）。这项研究成功地用TAG作为密码子把非标准氨基酸添加到了蛋白质序列的指定位置上。

由于非标准氨基酸是一类人工合成的氨基酸，在自然界中不存在，所以从某种程度上来说科学家在这项研究中创造出了自然界中无法进化出的人工生命（从理论上来说，其它转基因方法产生的生物体都能够通过进化形成，因为不同物种的基因组都是由相同的四个“字母”组成的。只要时间足够长，物种A的基因组中总是可能进化出一段与物种B完全相同的序列）。

这种蛋白质中添加了非标准氨基酸的生物体的一个优点是科学家能把它们有效地限制在指定的生长环境里（比如实验室里或是工厂里）放心使用，无需担心它们“逃逸”到其它的环境中去（比如从实验室“逃逸”到自然界，对生态环境造成破坏），因为这些环境中没有其生存所必需的非标准氨基酸，所以就算“逃逸”到其它的环境中它们也无法存活和扩散。

即使人类有一天把多余的密码子都挪作他用用完了（每一种氨基酸都只用一种密码子编码了），你仍然无需过多担心。因为科学家们同时还在尝试增加基因组“字母”的种类，并且已经有了很大的进展：耶鲁大学的科学家在2014年就成功的把一对新的“字母”添加到了大肠杆菌的基因组里，将基因组可供使用的密码子数量从64个拓展到了216（63）个。

所有这些具有广泛应用前景的进展，都让合成生物学这个聚焦于改造甚至创造生命的新兴学科近年来备受各界的关注。

一直以来，无论是他自己还是他领导的团队，丘奇都以敢于做革新性的尝试著称：他是世界上第一种直接DNA测序法的发明人之一；他是最早提议发起人类基因组计划的科学家之一；他是美国政府2013年通过的预期耗时十年的“脑计划”（BRAIN Initiative）的发起人之一；他还在2016年牵头发起了一项被称为“人类基因组计划—书写”（Human Genome Project-Write）的项目，目标是从零开始合成出人的全基因组（总共30亿个“字母”）。

丘奇最近几年最令人关注的成就是对一种叫CRISPR/Cas9系统的基因编辑技术进行的优化和完善（对这一领域做出重要贡献的另一位科学家，麻省理工学院的华裔学者张锋也被授予了2016年的汤森路透引文桂冠奖），使科学家现在能够对生物体的基因组进行高效、精准的编辑（修改）。无论是在基础研究还是在医学、农作物改良等领域，这种技术无疑都将在未来取得广泛的应用。2015年，他的实验室甚至使用这种技术将猛犸象的一些基因成功地添加到了亚洲象皮肤细胞的基因组里，有史以来第一次见证了这种早已灭绝的生物的基因重新发挥其功能：亚洲象的细胞读取这些基因的信息，合成出这些基因所编码的蛋白质。

无论丘奇能否在未来获诺贝尔奖，他的研究对人类认识和改造生命的贡献都毋庸置疑。作为一名坚定的革新者，相信他的实验室在未来还会不断传出令人兴奋的新进展。

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