人工合成生命的時代要來了嗎？

知識 08-19

報告人：李國紅（中國科學院生物物理研究所）

整理：科學大院（ID：kexuedayuan）

在我們生存的自然界里，除了單細胞生物、少數低等生物，絕大多數的生物從小到大都遵循著一個相同的規律——由一個受精卵發育形成。

就像是父母的精卵結合，產生了受精卵，受精卵開始快速的生長分裂，經歷四細胞期、八細胞期後形成桑椹胚，直到胚胎幹細胞有了明顯的分化進而發育成囊胚，原腸胚，最後發育成一個各器官組織完全的胎兒。等到胎兒出生長大性成熟之後，成熟的個體雌雄交配，又會產生新的受精卵，生命就這樣在周而復始的循環中得到延續。

人工合成生命的時代要來了嗎？

生命的歷程與繁衍

而至於人類到底是怎麼來的，在幾千年前之間有很多種說法，大致分為四類，神創論、天外科學創造論、自然發生論、生物進化論。

其中達爾文在1859年提出的進化論（地球物種並非一成不變，而是隨著自然條件的變化從簡單到複雜、從低等到高等不斷進化而來）是目前科學界公認的物種起源的學說。

但是為什麼同一個物種又可以存在很長的時間甚至多達幾億年，是什麼能夠讓我們如此像我們的父輩先祖呢？

是基因的緣故嗎？

在1865年，孟德爾在豌豆雜交實驗中發現，雜交豌豆子一代後代的高莖矮莖性狀遵循3:1的規律，其他幾種區別明顯的性狀也遵循相同的規律。

於是孟德爾提出了分離定律，即在生物的體細胞中，控制同一性狀的遺傳因子成對存在，不相融合，具有顯隱性關係；在形成配子時，成對的遺傳因子發生分離，分離後的遺傳因子分別進入不同的配子中，隨配子遺傳給後代。

後來他研究豌豆種子顏色及表皮光滑程度這兩對性狀時又發現了自由組合定律，即當具有兩對（或更多對）相對性狀的親本進行雜交，在子一代產生配子時，在一對遺傳因子分離的同時，控制另一對性狀的遺傳因子表現為自由組合。

1909年，丹麥遺傳學家約翰遜提出用「基因」代替「遺傳因子」一詞，這之後人們一直在探索基因到底在哪裡。

從1909年到1928年，美國科學家摩爾根利用果蠅作為實驗材料研究基因在哪裡，果蠅只有四對染色體，是研究遺傳很好的實驗材料。

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摩爾根（1866-1945）與果蠅

偶然的機會，他得到一隻白眼雄性突變果蠅，與紅眼雌性果蠅交配後，子一代都是紅眼果蠅，按照孟德爾的學說，紅眼基因相對白眼基因是顯性，他用第一代雜交果蠅互相交配，產生第二代雜交果蠅。其中有3470個紅眼的，782個白眼的，基本符合3：1的比例。

按照孟德爾的自由組合規律，那些長著白眼的果蠅，它們的性別應當是有雄性的，也有雌性的。但是，這些白眼果蠅居然全部是雄性，沒有一隻是雌性的。也就是說，突變出來的白眼基因伴隨著性別遺傳。

果蠅的4對染色體中，有一對是決定性別的。其中雌性果蠅中的兩條性染色體完全一樣，記為XX染色體；雄性果蠅中的性染色體一大一小，記為XY染色體。摩爾根判斷，白眼基因位於X染色體上，也就證明了基因是在染色體上的。

基因的本質是什麼？

有三個經典實驗證明了基因的本質是DNA。

格里菲斯以R型和S型菌株作為實驗材料進行遺傳物質的實驗，他將活的、無毒的RⅡ型（無莢膜，菌落粗糙型）肺炎雙球菌或加熱殺死的有毒的SⅢ型肺炎雙球菌注入小白鼠體內，結果小白鼠安然無恙；將活的、有毒的SⅢ型（有莢膜，菌落光滑型）肺炎雙球菌或大量經加熱殺死的有毒的SⅢ型肺炎雙球菌和少量無毒、活的RⅡ型肺炎雙球菌混合後分別注射到小白鼠體內，結果小白鼠患病死亡，並從小白鼠體內分離出活的SⅢ型菌。

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1928年英人Grffth所做的有關肺炎雙球菌轉化的實驗

格里菲斯稱這一現象為轉化作用，實驗表明，SⅢ型死菌體內有一種物質能引起RⅡ型活菌轉化產生SⅢ型菌，這種轉化的物質格里菲斯稱為轉化因子。

在1945年，加拿大生物化學家艾弗里和他的合作者在紐約進行細菌轉化的研究，實驗材料是肺炎鏈球菌，他們從SⅢ型活菌體內提取DNA、RNA、蛋白質和莢膜多糖，將它們分別和 RⅡ型活菌混合均勻後注射入小白鼠體內，結果只有注射SⅢ型菌DNA和RⅡ型活菌的混合液的小白鼠才死亡，結果說明，使細菌性狀發生轉化的因子是DNA（即脫氧核糖核酸），而不是蛋白質或RNA（即核糖核酸）。

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1952年赫爾希和蔡絲用放射性同位素35S標記蛋白質，32P標記DNA。

宿主菌細胞分別放在含35S或含32P的培養基中。宿主細胞在生長過程中就被35S或32P標記上了。然後用分別被35S或32P標記的細菌，並在這些細菌中複製增殖，使子代噬菌體蛋白質外殼和DNA分別被標記上35S和32P。用分別被35S和32P標記的噬菌體去感染沒有被放射性同位素標記的宿主菌，然後測定宿主菌細胞帶有的同位素。

被35S標記的噬菌體所感染的宿主菌細胞內很少有35S，而大多數35S出現在宿主菌細胞的外面。

也就是說，35S標記的噬菌體蛋白質外殼在感染宿主菌細胞後，並未進入宿主菌細胞內部而是留在細胞外面。

被32P標記的噬菌體感染宿主菌細胞後，測定宿主菌的同位素，發現32P主要集中在宿主菌細胞內。所以噬菌體感染宿主菌細胞時進入細胞內的主要是DNA，即DNA是遺傳物質。

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DNA的結構長什麼樣？

1952年，奧地利裔美國生物化學家查伽夫測定了DNA中4種鹼基的含量，發現其中腺嘌呤與胸腺嘧啶的數量相等，鳥嘌呤與胞嘧啶的數量相等。4種鹼基之間存在著兩兩對應的關係，腺嘌呤與胸腺嘧啶配對、鳥嘌呤與胞嘧啶配對。

1953年2月，沃森、克里克通過維爾金斯看到了富蘭克林在1951年11月拍攝的一張十分漂亮的DNA晶體X射線衍射照片，這激發了他們的靈感。

他們不僅確認了DNA一定是螺旋結構，而且分析得出了螺旋參數。

他們採用了富蘭克琳和威爾金斯的判斷，並加以補充：磷酸根在螺旋的外側構成兩條多核苷酸鏈的骨架，方向相反；鹼基在螺旋內側，兩兩對應，從而建立了DNA雙螺旋結構的模型。

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接著克里克又提出了遺傳信息傳遞的「中心法則」：遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質，即完成遺傳信息的轉錄和翻譯過程；也可以從DNA傳遞給DNA，即完成DNA的複製過程。這是所有有細胞結構的生物所遵循的共同法則。

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蛋白質合成的「中心法則」

由DNA轉錄出的RNA上具有翻譯成蛋白質氨基酸鏈的密碼。

遺傳密碼子是三聯體密碼：一個密碼子由信使核糖核酸（mRNA）上相鄰的三個鹼基組成。密碼子具有通用性：不同的生物密碼子基本相同，共用一套密碼子。

當知道DNA上的信息能夠編碼出蛋白質，行使生命的功能，美國病毒學家杜爾貝科提出了人類基因組計劃，測定人類的全部基因序列就可以知道許多疾病的發病機理，對於人類自身的了解也能更進一步。

治療疾病的福音？

也正是因為發現了能夠剪切和連接DNA雙螺旋結構的限制性內切酶及DNA連接酶，基因工程技術出現了。

基因工程能夠讓科學家自由的編輯基因，表達基因，在生物體上實現基因的重組，從而也就出現了許許多多性狀改良的轉基因動植物，改變了我們的生活。

並且我們還可以在基因水平上控制某些疾病基因的表達，從而治癒疾病。

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遺傳病的基因治療是指應用基因工程技術將正常基因引入患者細胞內，以糾正致病基因的缺陷而根治遺傳病。

糾正的途徑既可以是原位修復有缺陷的基因，也可以是用有功能的正常基因轉入細胞基因組的某一部位，以替代缺陷基因來發揮作用，它是將人的正常基因或有治療作用的基因，通過一定方式導入人體靶細胞以糾正基因的缺陷或者發揮治療作用，從而達到治療疾病目的的生物醫學高技術。

由於基因是攜帶生物遺傳信息的基本功能單位，是位於染色體上的一段特定序列，想要將外源的基因導入生物細胞內必須藉助一定的技術方法或載體，基因轉移的方法也就分為生物學方法、物理方法和化學方法。

與常規治療方法不同：一般意義上疾病的治療針對的是因基因異常而導致的各種癥狀，而基因治療針對的是疾病的根源——異常的基因本身。基因治療主要是治療那些對人類健康威脅嚴重的疾病，包括：遺傳病（如血友病、囊性纖維病、家庭性高膽固醇血症等）、惡性腫瘤、心血管疾病、感染性疾病（如艾滋病、類風濕等）。

基因治療有兩種形式：

(1)生殖細胞基因治療：理想的方法是生殖細胞基因治療(germ cell gene therapy)，即將正常基因轉移到患者的生殖細胞（精細胞、卵細胞中早期胚胎）使其發育成正常個體。實際上，這種靶細胞的遺傳修飾至今尚無實質性進展。基因的這種轉移一般只能用顯微注射，而且效率不高，並且只適用排卵周期短而次數多的動物，這難適用於人類。而在人類實行基因轉移到生殖細胞，並世代遺傳，又涉及倫理學問題。因此，就人類而言，多不考慮生殖細胞的基因治療途徑。

(2)體細胞基因治療：體細胞基因治療(somatic cell gene therapy)是指將正常基因轉移到體細胞，使之表達基因產物，以達到治療目的。這種方法的理想措施是將外源正常基因導入靶體細胞內染色體特定基因座位，用健康的基因確切地替換異常的基因，使其發揮治療作用，同時還須減少隨機插入引起新的基因突變的可能性。目前對特定座位基因轉移，還有很大困難，所以體細胞基因治療採用將基因轉移到基因組上非特定座位，即隨機整合，只要該基因能有效地表達出其產物，便可達到治療的目的。這不是修復基因結構異常而是補償異常基因的功能缺陷，這種策略易於獲得成功。基因治療中作為受體細胞的體細胞，多採取離體的體細胞，先在體外接受導入的外源基因，在有效表達後，再輸回到體內，這也就是間接基因治療法。

基因與克隆技術

DNA是遺傳物質，能夠指導新生命的產生。

將含有遺傳物質的供體細胞的核移植到去除了細胞核的卵細胞中，利用微電流刺激等使兩者融合為一體，然後促使這一新細胞分裂繁殖發育成胚胎，當胚胎髮育到一定程度後，再被植入動物子宮中使動物懷孕，便可產下與提供細胞核者基因相同的動物，這也就是克隆技術。

克隆技術不需要雌雄交配，不需要精子和卵子的結合，只需從動物身上提取一個單細胞，用人工的方法將其培養成胚胎，再將胚胎植入雌性動物體內，就可孕育出新的個體。這種以單細胞培養出來的克隆動物，具有與單細胞供體完全相同的特徵，是單細胞供體的「複製品」。

目前，生產哺乳動物克隆的方法主要有胚胎分割和細胞核移植兩種。

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科學家伊恩·威爾默特與克隆羊「多利」

1996年7月5日英國英格蘭科學家首先培養出了克隆羊「多利」。它是世界上第一例經體細胞核移植出生的動物，是克隆技術領域研究的巨大突破，其後各國科學家培育的各種克隆動物，採用的都是細胞核移植技術。

所謂細胞核移植，是指將不同發育時期的胚胎或成體動物的細胞核，經顯微手術和細胞融合方法移植到去核卵母細胞中，重新組成胚胎並使之發育成熟的過程。

與胚胎分割技術不同，細胞核移植技術，特別是細胞核連續移植技術可以產生無限個遺傳相同的個體。由於細胞核移植是產生克隆動物的有效方法，故人們往往把它稱為動物克隆技術。

這一巨大進展意味著：在理論上證明了，同植物細胞一樣，分化了的動物細胞核也具有全能性，在分化過程中細胞核中的遺傳物質沒有不可逆變化；在實踐上證明了，利用體細胞進行動物克隆的技術是可行的，將有無數相同的細胞可用來作為供體進行核移植，並且在與卵細胞相融合前可對這些供體細胞進行一系列複雜的遺傳操作，從而為大規模複製動物優良品種和生產轉基因動物提供了有效方法。

什麼是幹細胞？

在細胞水平上對於疾病的治療，如今主要利用的是幹細胞。

幹細胞是一類未分化的生物細胞，它可以在一定條件下分化成各種特異類型的細胞，比如神經細胞、肝臟細胞、肌細胞等，並且它也可以自我複製產生更多的幹細胞。

幹細胞就像西遊記里的孫悟空可以七十二變，它對於我們生命的修復具有非常高的利用價值。

最早期的幹細胞叫胚胎幹細胞，是從早期胚胎中分離出來的一類細胞，它具有分化為機體任何一種組織器官的潛能，在一定條件下，這些細胞可以在體外無限的增殖傳代，同時還保持其全能性。

1981年，英國的Evans和Kaufman首次從小鼠的囊胚（未成形的胚胎）中分離出能夠在體外培養的胚胎幹細胞，並因此獲得了諾貝爾獎。

胚胎幹細胞的應用主要有以下幾點：

第一，用於細胞治療，如今比較成功的應用是視網膜的重建，比如將胚胎幹細胞定向分化成視網膜細胞，把它接種到視網膜上之後可以使視網膜受損的病人重見光明。

第二，用於組織器官的移植，比如構建人工心臟，人工腎臟等。

第三，用於生產轉基因的動物等。

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