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生物工程改变世界

作者: 本刊编辑部

  所有地球生命都有一个共同的起源,都是“地球生命树”开枝散叶的结果,所以它们都拥有一些共同的特征,从只在显微镜下才能看得到的细菌,到海洋中最庞大的蓝鲸,构成生命基础的都是DNA“字母表”,以及以DNA语言为基础的编码方式。 中国论文网 https://www.xzbu.com/8/view-5098393.htm  人类饲养家畜、改良物种的历史已有一万多年,但直到20世纪70年代,DNA技术的崛起才真正让人类认识到正是DNA编码的差异造就了地球物种的多样化,生物工程由此诞生,人类也因此拥有了跨越物种屏障的能力。在过去的几年里,生物工程已经发展成为新的产业革命,人类开始重新设计和改造自然,甚至从无到有创造出人造生命……
  以下是生物工程科学取得的七大进展。
  生物计算机
  只要按下某个按钮,正在进行数百万次逻辑运算的计算机就会立即停下,但生命形式的运行则比最强大的计算机还要复杂得多,并且还会产生一些冗余无用的“杂音”,这意味着生物体的运行并非总是线性的、明显的和明确的。合成生物学的部分工作就是要剔除那些冗余“杂音”,将生物学系统精简分解成一个个“组件”,然后根据需要加以重建。
  这种工作的结果就是可以将信息存储几万年的超致密系统。2013年,生物电路的计算机化已经取得了令人瞩目的进展。2月,美国麻省理工学院的皮罗・斯路蒂等研究人员设计的DNA电路,利用类似于电子学中的逻辑函数,在大约9天的时间里,可存储90代细胞的数据。一个月后,合成生物学先驱德鲁・恩迪公开了他发明的可以像晶体管一样工作的DNA系统。晶体管是所有现代电子学的最基本组件之一,是20世纪电子学的重要基础,而生物版本晶体管的出现也将为生物计算机的诞生铺平道路。
  不再担心太空辐射
  基因工程合成细胞如何帮助人类适应外太空环境?如今,美国宇航局正在利用合成生物学的知识攻克最后的堡垒。硅谷的艾姆斯研究中心的实验室里正在进行一项研究,为宇航员提供可以经受外太空极端严酷环境的装备。
  人类外太空探索的最大障碍之一是,以目前的推进技术,太空旅行往往需要许多年时间,在漫长的旅途中,太阳辐射和宇宙射线会给宇航员的身体带来极大的威胁,甚至有可能导致机体产生有害突变。辐射对DNA危害极大,包括引发癌症等。但如果屏蔽宇宙辐射的保护装置太过厚重,又会给离开地球的发射任务增加大量的成本。
  艾姆斯实验室正在设计一种能够产生细胞因子蛋白的合成生物电路,可保护宇航员免受太空辐射危害。细胞因子蛋白是机体抵御辐射危害的一种自我保护机制。但问题是,这种合成生物学电路安置在哪里好呢?让它在身体里自由漂浮可不是个好主意。美国宇航局利用纳米碳纤维设计了一种生物胶囊,这种胶囊可以植入宇航员的皮下组织,它的气孔很小,令细菌无法逃逸出来,但足以让产生的细胞因子蛋白从里面出来,起到保护宇航员的作用。
  代替路灯的发光树
  人类发现并研究自然界中的荧光现象已有几十年历史了,包括美籍华裔科学家钱永健在内的三名科学家因发现和研究绿色荧光蛋白而获得了2008年的诺贝尔化学奖。萤火虫能够发光,是因为它们的基因中含有一种叫作荧光素酶的特殊蛋白质。出于科学研究的目的,科学家通过遗传基因工程,已经创造出了荧光鼠、荧光猫、荧光猪等新奇发光生物。能够发出荧光的观赏鱼是美国在宠物商店出售的首个基因工程宠物。
  2013年6月,合成生物学Kickstarter项目筹集了近50万美元开发发光树,组成了以DNA“黑客”安东尼・埃文斯为首的三人研究小组。虽然有人认为真正实现无电照明还要克服许多障碍,但许多人对这个项目仍然抱有很大期盼,认为这也许开创了一个新途径。这些正在进行中的研究项目表明,合成生物学正在崛起,实际应用范围也正在日益扩大。
  杀灭癌细胞的斗士
  目前治疗癌症最有效的方法不外乎化学疗法和放射疗法。尽管日前的癌症治疗技术已经能够越来越精确地针对失控的癌变细胞,但仍然会杀死许多健康的细胞,在治疗过程中给病人带来许多痛苦和折磨。
  美国麻省理工学院的罗恩・韦思和他的研究小组设计了一种基因电路,将这种基因电路嵌入一种无害病毒之中,然后让病毒感染细胞。病毒感染细胞之后会向细胞就五个生物学上的问题进行“提问”。如果这种分子“应答”的结果是否定的,那么电路就会失去活动能力;如果五个问题的答案都是肯定的,那么该细胞就可百分之百地被确认已经癌变。基因电路下一步要做的就是激活细胞的自毁程序。打个比方来说,放射疗法就像老式的大口径短枪,而基因电路就像狙击步枪,两者击中目标的准确率是不可同日而语的。
  不过,目前这种系统只对一种被研究得最多的癌细胞――海拉细胞有效,而且只能杀死培养皿中的癌细胞,还无法用于杀死动物体内的癌细胞。所以,这种基因电路还无法在短期内推广到其他多种癌症的治疗中。但毕竟这是癌症攻克之路上取得的又一新进展。
  “细胞工具箱”
  任何外出旅行的人都知道,没有合适的电源转换接头是一件多么让人头痛的事情。电子行业早在几十年前就已经实现了元部件的标准化。当你需要一只二极管时,你可以买到现成的标准件,而不需要自己去专门制作一个。基因工程至今为止还未能做到这一步。如今,“生物砖基金会”正努力在合成生物学领域内推行生物元部件的标准化,以便于根据需要将“生物砖”以更有效更具创造力的方式“组装”起来。每年,研究人员在研究中都要用到“标准生物组件登记册”中的许多“生物砖标准元件”,这也是生物元部件的唯一来源。这些生物元部件都是免费供给的,并且都是可以瓦相适配的标准化生物元部件,目前这些“生物砖”的数最已达一万种。
  用“生物砖”组装的产品不乏奇特创意。荷兰一个研究小组研究的用生物工程细菌制作的检测棒会令腐败变质的肉改变颜色,超市可利用它来监测肉类制品的新鲜程度。
  抗疟疾新武器
  全世界每年有数百万人死于疟疾。据世界卫生组织估计,自上世纪60年代以来,在撒哈拉沙漠以南的非洲地区,每年用于疟疾治疗的医疗费用已高达数千亿美元。自17世纪以来,人类一直用奎宁以及疟疾特效药氯喹等来对付疟疾,但因疟疾病原体不断进化的抗药性,治疗效果不很理想。如今最有效的疟疾治疗方案是多种药物合成的“鸡尾酒”,其中包括从苦艾中提取的关键有效成分青蒿素。但苦艾生长条件苛刻,在过去几年里,青蒿素市场一直处于繁荣与萧条的交替循环中,青蒿素的价格也一直处于不稳定的上下浮动中。
  当杰伊・基斯林在实验室里尝试设计一种能够生产柴油的基因电路时,他的学生贝克莱注意到实验中产生的一种与青蒿素十分相似的副产品。于是,他们进行跟踪研究,最终利用从三种不同有机生物体中获得的12种基因,发明了细胞合成青蒿素产品,并于2006年正式公布。2013年,在获得来自比尔・盖茨基金会的大笔投资之后,这种药物被分配到了疟疾多发地区。
  这种药物的正式问世将是合成生物学革命的一个里程碑,也是生物工程学的第一个了不起的产品。合成生物学革命方兴未艾。
  清洁海洋的细菌大军
  2012年国际基因工程机械设计大赛的亚军获得者是伦敦大学,其获奖作品是一个用来清除海洋污染的塑料岛屿。如今,漂浮在海洋上的塑料废物每年多达数百万吨。不过,这个巨大的人工岛屿并不是由废塑料瓶子堆积起来的,而是由无数微小的塑料碎屑堆积起来的――这给海洋带来的危害更大。塑料碎屑在海水漩涡里积聚起来,进入食物链,给海洋生物带来身体上的损害甚至导致死亡。
  伦敦大学的研究小组设计了一种有浮力的耐盐细菌,这种细菌能够将塑料碎屑和其他降解物质区分开来,然后聚集成团,最后形成塑料岛屿。考虑到安全问题,这些基因工程设计的细菌对环境的影响都被降到最低,并有对这种细菌的DNA进行降解的配套系统。 转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-5098393.htm


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