15年来，作为基因组学界泰斗的克雷格·文特尔（Craig Venter，下图）一直在追寻着一个梦想：借助生物化学材料构建一个基因组，用于人造生命的合成。现在，文特尔和他创办的克雷格·文特尔研究所（简称JCVI）宣称，他们已经实现了这个梦想。在2010年5月21日出版的《科学》杂志网络版上，他们描述了该工作的具体步骤：构建了一套细菌染色体，并成功地将其转入一种去除了原有DNA的细菌的体内。在合成基因组的驱动下，微生物细胞开始复制和制造出了一套全新的蛋白质。
俄勒冈州波特兰市里德学院的哲学家、《人工生命》杂志编辑马克·贝多（Mark Bedau）称，这是“一个在生物学史和生物技术史上具有重要纪念意义的时刻。”而马里兰州巴尔的摩市的约翰·霍普金斯大学医学院的生物学家杰夫·博克（Jef Boeke）则说：“这项工作代表了合成基因组学这一崭新的生物学分支的一个重要的技术里程碑。”
重要的技术里程碑
这次由文特尔团队构建的细菌染色体与一种天然细菌基因组近乎一致，他们为此投入了近4000万美元的巨资，20名研究人员花费了超过十年的时间。尽管取得了初步的成功，但距文特尔的梦想――即可以按照细胞基因组程序所控制的那样制造生物燃料或药物的基因组的目标――尚有一定的距离。北亚利桑那大学的分子遗传学家保罗·凯姆（Paul Keim）说：“有朝一日，遗传工程师们将能够利用最简单的（碱基）材料来配对和设计一种生物体基因组。但要实现这一目标，科学家们还将面对巨大的挑战。”
文特尔的“合成”细菌研究最近才揭开它神密的面纱。但追本逐源，是源于一项由文特尔和他在JCVI研究所的同事克莱德·哈奇森（Clyde Hutchison）和汉密尔顿·史密斯（Hamilton Smith）领导的一项科研计划：弄清微生物生命体生存所必需的最简单操作规程，从而向生命体添加各种不同的基因，使之成为一种可以生产对人体有用的化合物的“生物工厂”。
1995年，这3位科学家所领导的团队完成了有史以来最小的自由生存的生物体的基因组的测序工作，这种细菌称为Mycoplasma genitalium（支原体菌的一种），其染色体上拥有60万对碱基。之后，发表在2003年2月14日《科学》上的后续研究发现：这种微生物拥有大约500种基因，删去其100个独立基因而不会产生（对该细菌的）有害效应。
然而，这些实验对最小基因组的确认工作提示：合成基因组的工作要求合成一个完整的细菌染色体，然后使其在一个接受者细胞中存活和运行。出于技术的原因，这两步的实现让科学家们等待了多年的时间。因为制造和操作整个染色体的技术还没有建立起来。2007年8月3日，文特尔、史密斯和希金森等人在《科学》上证实了可以将一些天然染色体从一个微生物物种移植到另一个物种。2008年2月29日，他们在《科学》上撰文称：他们已经可以制造一种与M. genitalium染色体配对的染色体，其中还包含了一些类似于“货币水印”的DNA序列，可以从天然基因组上显示（结合于其上的）合成基因组。
再造的生命：蓝色菌落（上图）提示一个成功移植的基因组，下图则是电子显微镜观察到的自我复制的细菌群
培养皿中的“故事”
但是，将这些步骤整合在一起的工作一时却陷入了困顿。部分是因为M. genitalium生长十分缓慢，以致一个实验的完成要耗去数个星期的时间。研究人员便决定对支原体菌中繁殖较快的M. mycoides的基因组进行测序，并开始构建该染色体的合成复制品。2009年8——9月，他们在《科学》上撰文描述：他们分离出M. mycoides的天然染色体，并将其植入酵母体内用以对酵母菌的基因组进行修饰，然后再转入一种亲缘关系很近的支原体微生物M. capricolum体内。
接下来的工作是证明这些细菌DNA的合成复制品是否可以以同样的方式加以处理。研究人员开始通过购买DNA来构建合成染色体，他们购买了1000多份可以覆盖整个M. mycoides基因组的（平均长度）1080个碱基的序列。为了加快拼接工作并保证其正确性，这些序列都要求在其末端有80个碱基与相邻的序列相重叠（可以配对结合），以使拼接的基因组看似一个合成的基因组。被排序的这些DNA序列中有四条包含一些碱基串，并通过一定的编码可以拼写出一个电子邮箱地址，或参与这一计划的人员名字和一些格言警句。
利用酵母菌分步拼接合成DNA，研究人员首先连缀得到了一些万碱基级的序列，然后是十万碱基级的序列，最后连缀成为了完整的基因组。然而当他们初步将合成基因组植入M.capricolum内时，并没有任何事情发生。于是，他们便开始系统地将各种合成DNA和天然DNA组合体植入M. capricolum，最后却定位出合成基因组中的一个单碱基错误。就是这么一个错误，使整个计划延迟了3个月。
为了解决这个单碱基错误，研究人员将各种不同基因组的组合体进行了相关移植，并为此耗费了很多精力和时间。然而今年4月，研究小组的运气发生了改变。在一个周末，研究人员在实验室的培养皿中发现了一个蓝色快速生长的细菌菌落（蓝色表明细胞生长使用的是新的基因组信息）。该项目负责人丹尼尔·吉布森(Daniel Gibson)在第一时间告知了文特尔，文特尔立即拿起摄像机对培养皿中发生的“故事”进行了记录。
随后他们将菌落中的DNA进行了测序，证实了该细菌含有合成基因组，并检查了这些微生物确实可以生产拥有M. mycoides而不是M. capricolum特征的蛋白质。同时，菌落也像常规的M. mycoides那样生长。文特尔说：“很显然，我们确实将一个细胞转入了另一个细胞。”
只能在黑暗中摸索
田纳西州范德比尔特大学的分子生物学家安东尼·福斯特（Anthony Forster）说：“这是一个非常漂亮且惊人的成就。”但和其他一些生物学家一样，他也认为这项工作并不能产生一个真正的合成生命形式，因为合成基因组是被放入一个已经存在的细胞内的。
当时，文特尔团队所采用的技术很难与任何研究人员对潜在的生物恐怖行为的紧张、焦虑联系起来。然而，加州大学伯克利分校的人类学家保罗·拉比诺（Paul Rabinow）说：“毫无疑问，这个实验将重新引起人们对伦理学的争议和想象力。”包括麻省理工学院的社会学家肯尼思·欧夫（Kenneth Oye）也认为：“相信在一段较长的时间以后，这种方法可用以合成人工设计的基因组，而且是日新月异的。而现在，我们却只能在黑暗中摸索，为了长期的利好和风险杞人忧天。未来是祸是福，也未可知。”
“一旦更多的“人工”生命成为可望而且可及的事情时，我们的管理部门需要以一种应时而生、应时而新的方式建立起适当的管理法规。”欧夫补充说。纽约州立大学石溪分校的艾卡德·维默（Eckard Wimmer）曾在2002年成功地构建了第一个合成病毒，他说：“我们感到遗憾的是，这种技术被滥用的可能性确实存在。”
目前，文特尔已将这项工作申请了几项专利，同时将其转让到他的私人公司――合成基因组学公司的名下。而正是这家公司，为这项科研提供了大部分的资助。对此，加拿大渥太华市的一家技术咨询公司ETC集团则忧心忡忡地批评说：这些行动可能会导致对合成生命技术的一种垄断。
但是有些人却不这么认为。欧夫说，基于目前转让（或者称许可）或持有这类的技术的大环境，“合成基因组学公司有朝一日会成为合成生物学界的微软吗？我看未必。”博克说：“有一件事是确定的，这些引起人们极大兴趣的工作将使文特尔的研究所在生物学领域‘沸腾’，成为一种不再是该研究所自己的事情。我们仿佛看到：一个热气球正在升空，一次环球冒险旅程正在开始。”
资料来源 Science
责任编辑 则 鸣