可以用化學(xué)合成任何生命 人工生命的進(jìn)展可能比人工智能還快

2016年以來(lái)，以AlphaGo為標(biāo)志的人工智能技術(shù)進(jìn)入了發(fā)展的快車道，成為了民眾熱議的話題。2017年12月27日，華大基因董事長(zhǎng)汪建在深商大會(huì)上表示，未來(lái)的5-10年，我們可以化學(xué)合成任何生命，人工生命（合成生命）的進(jìn)展可能比人工智能還快。此言一出，立刻引起了巨大的反響。

汪建先生的話，源于2017年3月15日天津大學(xué)、清華大學(xué)和華大基因的科學(xué)家同時(shí)在科技界頂級(jí)雜志《科學(xué)》（Science）發(fā)表的四篇文章，這四篇文章分別描述了如何用化學(xué)的方法合成酵母基因組的4條染色體。這是構(gòu)建人工生命的一個(gè)非常重要的進(jìn)展。這項(xiàng)工作，入選了我國(guó)十大科技新聞和生命科學(xué)十大進(jìn)展。

DNA與染色體

1、基因組和染色體都是什么？

地球上的不同生命或者不同物種，都是由其細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，即脫氧核糖核酸分子（DNA）決定的。DNA分子很特別，是一種雙鏈的結(jié)構(gòu)，含兩條由四種不同核苷酸單體串起來(lái)的單鏈，以反向的雙螺旋互相糾纏延伸。這四種核苷酸單體結(jié)構(gòu)很相似，分為三個(gè)部分，其中二個(gè)部分的結(jié)構(gòu)都是相同的，只有一個(gè)部分的結(jié)構(gòu)不同，這部分結(jié)構(gòu)叫“堿基”，根據(jù)堿基的不同，四種核苷酸單體分別叫 A、T、G、C。非常奇妙的是，A與T、G與C可以通過(guò)其堿基配對(duì)。DNA分子就是通過(guò)這些單體的配對(duì)而形成雙鏈。一條單鏈上某個(gè)位置如果是單體A，對(duì)應(yīng)的另外一條單鏈上必然是單體T。DNA雙鏈分子結(jié)構(gòu)，是1953年由美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·沃森（James Watson）與英國(guó)科學(xué)家弗蘭西斯·克里克（Francis Crick）發(fā)現(xiàn)的。他們后來(lái)得到了1962年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

四種A、T、G、C單體的不同排列組合，就構(gòu)成了每種生命的密碼本。DNA雙鏈分子上有不同的區(qū)域，有的代表基因，有的和基因調(diào)控相關(guān)，但是也有一些區(qū)域（比如細(xì)菌的DNA）甚至很多區(qū)域（比如人的DNA），我們其實(shí)還不知道有什么作用。奇怪嗎？不奇怪?？茖W(xué)上還有太多太多未知。因?yàn)镈NA雙鏈分子上分布著基因，所以科學(xué)上通常又把一個(gè)物種的DNA統(tǒng)稱為“基因組”。不同物種的基因組大小不同，通常以“百萬(wàn)堿基對(duì)”為單位。嚴(yán)格意義上，其實(shí)這是“百萬(wàn)核苷酸單體對(duì)”。但是生物學(xué)很特別，跟其他理工科不同，存在很多說(shuō)法上的約定俗成，行外人可能哭笑不得，行內(nèi)人倒習(xí)以為常。這里按下不表。

2、我們什么時(shí)候破譯了各種生命的基因組序列或者密碼本？

1970年代之前，我們其實(shí)不知道任何基因組的具體ATGC序列。其后，美國(guó)科學(xué)家沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert） 和英國(guó)科學(xué)家弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）發(fā)明了DNA測(cè)序方法，并因此獲得了1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。特別值得一提的是，祖籍福州的美籍華人、美國(guó)康內(nèi)爾大學(xué)吳瑞教授，對(duì)此方法做出了重要貢獻(xiàn)。但是當(dāng)時(shí)這項(xiàng)方法的效率和速度都比較低，只能用來(lái)測(cè)DNA片段、某個(gè)基因或者一些特別小的基因組。1977年，第一個(gè)完整的基因組，一種叫phi X 174的細(xì)菌病毒測(cè)序完成，只有5，386個(gè)堿基。為何這里的單位是“堿基”而不是前文的“堿基對(duì)”呢？因?yàn)檫@個(gè)病毒和很多病毒一樣，比較特殊，其基因組是單鏈的DNA。嚴(yán)格意義上，病毒也不是完整的生命，只能算是生命的“寄生蟲”。

進(jìn)入1980年代，測(cè)序方法的不斷改進(jìn)和自動(dòng)化，使得基因組測(cè)序工作得于迅速推進(jìn)。1995美國(guó)科學(xué)家克雷格·文特爾（Craig Venter）領(lǐng)導(dǎo)的小組發(fā)布了第一個(gè)完整的能夠獨(dú)立生存的生命、流感嗜血桿菌的基因組序列，共 1，830，137 堿基對(duì)（或1.8百萬(wàn)堿基對(duì)），估計(jì)有1500個(gè)基因。流感嗜血桿菌是一種細(xì)菌，屬于原核生物。1996年，科學(xué)家公布了第一個(gè)真核生物、酵母的基因組序列，大約有6千多個(gè)基因。上文提到的大腸桿菌，其基因組測(cè)序是1997年完成的，大約有4千多個(gè)基因。那大家肯定會(huì)想到，人類的基因組呢？人類基因組測(cè)序計(jì)劃是在1990年啟動(dòng)的，2000年第一份草圖完成，2004年正式完成，經(jīng)歷了15年，一共發(fā)現(xiàn)大約有2萬(wàn)多個(gè)的基因。如果我們把人類基因組的序列印刷成書的話，大約要262，000頁(yè)，或者175本厚書。其它與人比較相近的哺乳動(dòng)物基因組測(cè)序也先后相續(xù)完成。有意思的是，人們發(fā)現(xiàn)大猩猩的基因組與人基因組96%相似。

3、有基因組測(cè)序，就必有基因組合成，必有人工生命

人類很早就知道通過(guò)化學(xué)的方法合成短片段的DNA。通過(guò)這些短片段DNA的組裝，科學(xué)家們開(kāi)始探索化學(xué)合成基因組。很自然地，第一個(gè)合成的就是病毒基因組。2003年，同樣是美國(guó)科學(xué)家文特爾小組，利用化學(xué)方法合成了上文提到的phi X 174的細(xì)菌病毒基因組。2005年，科學(xué)家們重新設(shè)計(jì)合成了另外一個(gè)叫T7的細(xì)菌病毒基因組。2008年，文特爾小組化學(xué)合成了一種叫生殖道支原體（Mycoplasma genitalium）的細(xì)菌基因組，長(zhǎng)度約0.58百萬(wàn)堿基對(duì)，但是此時(shí)他們還沒(méi)能把這個(gè)合成基因組移植到受體細(xì)胞中并證明其有生命的功能。2010年，這個(gè)小組人工合成了相近的絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）基因組，共1.08 百萬(wàn)堿基對(duì)，并移植到受體細(xì)胞中。一段時(shí)間后，該移植細(xì)胞完全由合成基因組控制。就這樣，他們創(chuàng)造了人類歷史上第一個(gè)真正意義的人工生命。當(dāng)然，羅馬不是一天建成的。文特爾小組是用了10多年的時(shí)間，才走到這一步的。根據(jù)時(shí)間推算，這項(xiàng)工作大約起始于本世紀(jì)初，即人類基因組測(cè)序的草圖完成之時(shí)。

第一個(gè)人工生命 “辛西婭”

文特爾小組將這個(gè)人工生命命名為”辛西婭”（synthia）。這個(gè)人工合基因組，絕對(duì)大部分序列與該絲狀支原體天然的基因組是一致的。但是該小組也加入了一些原先不存在的DNA序列（他們稱之為“水印”）。其中蘊(yùn)含了一些名言，比如“去生活、去犯錯(cuò)、去跌倒，去勝利、去從生命中重造生命”、“我無(wú)法建造的東西，我也不能理解”。后者出自加州理工學(xué)院的物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）。

此后，人們又相繼合成了其它細(xì)菌的人工生命。很自然，科學(xué)家們的下一個(gè)目標(biāo)會(huì)是真核生物，顯然，酵母是最好的選擇。這項(xiàng)工作始于2005年，并逐步形成了一個(gè)中國(guó)科學(xué)家參與在內(nèi)的國(guó)際“合成酵母計(jì)劃”?？茖W(xué)家們首先選擇了第3號(hào)染色體，這項(xiàng)工作主要由美國(guó)科學(xué)家杰夫·伯德（Jeff Bode）小組完成。天然的3號(hào)染色體原有316，667堿基對(duì)，他們對(duì)此進(jìn)行了小心但是大量的工程設(shè)計(jì)或者說(shuō)“重新編寫”，最終人工的3號(hào)染色體含有272，871堿基對(duì)，比天然的少了13.8%。該染色體被導(dǎo)入酵母細(xì)胞，取代了原來(lái)的3號(hào)染色體，得到了第一個(gè)人工的酵母細(xì)胞。這項(xiàng)工作發(fā)表在2014年的《科學(xué)》雜志上。

4、人工生命與合成人

現(xiàn)在回到我們的題目：“人工生命離我們多遠(yuǎn)？”，答案其實(shí)是人工生命早就在我們的身邊。這些合成生命，比如合成酵母，有重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。比如，合成酵母有助于人類更深刻地理解一些基礎(chǔ)的生物學(xué)的問(wèn)題；另一方面合成酵母有很多巧妙的工程設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)定向的人工進(jìn)化，在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用潛力。

現(xiàn)在問(wèn)題是，下一步會(huì)不會(huì)是合成人的基因組、合成人？這個(gè)工作其實(shí)已經(jīng)開(kāi)始。2016年，國(guó)際上相關(guān)科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)會(huì)討論啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目，有些觀點(diǎn)已經(jīng)發(fā)表在當(dāng)年的《科學(xué)》雜志上。目前，一些基礎(chǔ)性技術(shù)性工作已經(jīng)在不同的國(guó)家不同的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展。當(dāng)然，從合成酵母的基因組到合成人的基因組，存在巨大的技術(shù)屏障。首先是規(guī)模上的難度，人的基因組是酵母的270多倍；其次是技術(shù)上的難度，比如染色體移植在酵母中比較容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于人體細(xì)胞，就非常困難。這些技術(shù)屏障，是否能夠在5-10年得到解決，我們拭目以待。