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[目錄]

前 言 我的“薛定諤演講”

引 言 合成生命時代向我們走來 /001

薛定諤認(rèn)為,生命現(xiàn)象一定能通過物理學(xué)和化學(xué)來解 釋,染色體一定包含了“很多種能夠決定個體未來發(fā) 展的完整模式的密碼本”。1953 年,沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu),這標(biāo)志著人類邁出了重要一步; 2010 年,文特爾利用合成 DNA 創(chuàng)造了及時個“人造細(xì) 胞”,這預(yù)示著合成生命時代向我們走來。

及時部分 生命是什么

01 “合成生命”是可能的嗎? /013

德國化學(xué)家維勒通過化學(xué)方法合成尿素,雖然并未對 “活力論”造成實質(zhì)性影響,卻吹響了反擊的號角。我們需要做的就是用化學(xué)物質(zhì)創(chuàng)造出一個人造生命。 當(dāng)我們創(chuàng)造及時個合成細(xì)胞時,我們在某種意義上“扮 演了上帝的角色”。

合成尿素,一個對神秘生命力說“不”的故事

形形色色的“活力論”

馮 諾依曼的“細(xì)胞自動機(jī)”

合成生命時代的到來

02 數(shù)字生命的曙光 /037

我們原以為,DNA 過于簡單,不可能攜帶遺傳信息, 只有蛋白質(zhì)才能在細(xì)胞分裂時將足夠多的信息從一個 細(xì)胞傳遞給另一個細(xì)胞。但實際上,正是 DNA 這個生 命的軟件,管理著我們的細(xì)胞。限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn) 和基因拼接技術(shù)的出現(xiàn),為分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展奠 定了堅實基礎(chǔ)。

遺傳物質(zhì):蛋白質(zhì),還是 DNA ?

分子生物學(xué)的興起

蛋白質(zhì):生命的硬件

布朗運動:生命的驅(qū)動力

第二部分 生命的合成

03 解碼生命,從基因測序開始 /067

噬菌體phiX 174 的基因測序最初是用“桑格測序法”完成的。不過,桑格測序法速度慢,測序難度大。20 世 紀(jì) 90 年代,文特爾利用獨創(chuàng)的“全基因組霰彈測序法” 快速完成了流感嗜血桿菌和生殖支原體的基因組測序。此時,一個更大的難題擺在人們面前:怎樣合成一個 完整的基因組?

桑格測序法

全基因組霰彈測序法

最小基因集

新挑戰(zhàn):完整基因組的合成

04 噬菌體phi X174的合成 /087

20 世紀(jì) 60 年代,阿瑟 科恩伯格利用 DNA 聚合酶在實驗室成功復(fù)制了 phi X174 噬菌體的基因組并成功激 活。那時,基因測序技術(shù)還未出現(xiàn)。phi X174 也成了文 特爾及時個 DNA 合成的目標(biāo)。實驗表明,包含 5 384 個堿基對的 phi X174 合成 DNA,在進(jìn)入大腸桿菌后,能 夠感染、復(fù)制,并且殺死大腸桿菌的細(xì)胞。人工合成 病毒取得了成功!

科恩伯格,探索生命奧秘的先鋒

精度,合成基因組的關(guān)鍵

大功告成:及時個合成傳染性病毒 phi X174 誕生

倫理問題

05 及時個基因組的合成 /113

文特爾把及時個合成基因組的目標(biāo)瞄向了生殖支原體。這種生命體的基因組擁有 582 970 個堿基對,合成的 度要求是每 10 萬個堿基對中的錯誤少于一個。完 整基因組的組裝是在酵母細(xì)胞中進(jìn)行的。實驗證明, 有 17 個細(xì)胞包含了完整的生殖支原體基因組,甚至連 插入的水印“文特爾研究所”都清晰可見!

目標(biāo):合成 582 970 個堿基對

準(zhǔn)備高精度的 DNA 序列數(shù)據(jù)

合成基因組的組裝

重大突破:及時個合成支原體誕生

06 把一個物種轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€物種 /131

為了向“合成生命”再邁進(jìn)一步,文特爾決定將絲狀支原體的基因組向山羊支原體移植。對“藍(lán)色菌落”的測 序結(jié)果表明,所有的序列都只與移植到受體細(xì)胞的絲狀 支原體基因組相匹配,文特爾和他的團(tuán)隊成功地實現(xiàn)了整個基因組的移植,完成了“不可能完成的任務(wù)”。

歷史上的細(xì)胞核移植

基因組移植:從絲狀支原體到山羊支原體

藍(lán)色菌落,移植成功的重要標(biāo)志

“不可能完成的任務(wù)”:改變物種!

07 及時個人造細(xì)胞的誕生 /149

若想創(chuàng)造出一個“合成生命”,必須解決兩大難題。一個難題 是宿主細(xì)胞中的限制性內(nèi)切酶會摧毀被移植的基因組;另一 個難題是生命對合成基因組的精度要求非常高。“甲基化”和 高精度“桑格測序法”,讓兩大難題迎刃而解。培養(yǎng)皿中的“藍(lán) 色菌落”宣告了及時個人造細(xì)胞的誕生!正是因為這一成果, 人們稱文特爾為“人造生命”之父。

無法繞過的兩個難題

甲基化,合成基因組移植的關(guān)鍵

生死之間:一個堿基對的對錯

奇跡出現(xiàn):及時個有生命的合成細(xì)胞

第三部分 生命的未來

08 “合成生命”究竟意味著什么? /171

關(guān)于什么是“合成生命”,什么是“合成細(xì)胞”,文特爾給出 了他的定義:這些細(xì)胞是由人工合成的 DNA 染色體所控制的。由于合成基因組既需要使用一個已存在的基因組,還需要使用一個自然受體細(xì)胞,因此,“合成生命”不能算是“從 頭到尾”的真正合成。創(chuàng)造一個“通用受體細(xì)胞”,成為擺在科學(xué)家面前的一個新課題。

什么叫“合成生命”

有個“通用受體細(xì)胞”就好了

新探索:細(xì)胞間的合作

09 設(shè)計生命 /187

未來,在創(chuàng)造真實的細(xì)胞之前,我們可以先設(shè)計一個 虛擬細(xì)胞,用它來對我們的設(shè)想進(jìn)行檢驗。國際基因工程機(jī)器設(shè)計大賽(iGEM)吸引了無數(shù)才華橫溢的年輕人參與 “操控生命的軟件”的實踐活動。這些來自實踐的真知,提高了我們設(shè)計基因組的能力,進(jìn)一步加快了我們合成新生命的進(jìn)程。

生命的計算機(jī)建模

iGEM 大賽

安全與倫理

10 造福人類的“生命瞬間轉(zhuǎn)移” /213

文特爾正在完善一種技術(shù),它可以讓我們以電磁波的形式發(fā)送數(shù)字化的 DNA 密碼,然后在一個遙遠(yuǎn)的地方 用一種獨特的方法來接收這些數(shù)字化的 DNA 密碼,從 而重新創(chuàng)造生命。從目前來看,“生命瞬間轉(zhuǎn)移”技術(shù) 的近期應(yīng)用,可能是流感大暴發(fā)時的疫苗分發(fā),或者用噬菌體療法對付“超級細(xì)菌”。

瞬間轉(zhuǎn)移,人類永恒的夢想

快速提供疫苗

快速提供噬菌體

結(jié)語 只需4.3分鐘傳回基因信息，我們就能重造火星人/237

假設(shè)火星上的生命與地球上的生命都是基于 DNA 的, 假設(shè)火星有生命或者曾經(jīng)有過生命,假設(shè)火星上有一 個基因測序設(shè)備,可以讀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 分鐘把“火星人” 的基因序列發(fā)送回地球,我們就可以在地球上的實驗室里重 造“火星人”!

譯者后記 /249