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生物狂人文特尔要借助机器合成生命?

 
编者按:
 
当下地球面临的种种危机,令我们总是寄希望于终有一日逃离地球,飞往另一个可宜居的星球,至于我们应该如何到达那个星球以及在我们有限的生命里能否到达,估计没人能给出合理的方案。近年发现的类地行星开普勒452b,与地球大小非常接近,但是它距离地球非常遥远,1400光年,即使我们乘坐当下最先进的飞行器,飞行1400年也到达不了这个星球。
 
生物狂人克雷格·文特尔在《光速人生》(Life at The Speed of Light)一书中,给了一个很有意思的解决方案: 那就是让“生命”乘坐“时空隧道”以光速飞向另一个星球。不过这里的生命仅指生命密码,由A、C、T、G组成的生命的密码与计算机中的基本语言0和1可以互换,生命密码可以电磁波形式向外太空传输。
 
至于生命的密码到达另一星球,该如何自动合成,这就是5月29日文特尔研究团队发表在《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)上的一项研究提出的可能解决方案。不过其离真正的生命个体合成还非常遥远,目前仅限于遐想空间。梦想是要有的,万一它实现了呢?
 
撰文 | 田埂 (元码基因)
责编 | 叶水送
 
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长期以来,分子生物学家都希望从设计一段DNA序列到拿到这个序列相关的活性物质,这之间所有的实验完全通过机器来实现。
 
近日,由克雷格·文特尔(Craig Venter)和丹尼尔·吉布森(Daniel Gibson)开发的Digital-to-Biological Converter(DBC)实现了这一目标,相关研究发表在《自然-生物技术》杂志。据介绍,这是同类工作中,第一篇发表的同行评议论文。
 
传统的同类实验大概要花费至少一周的时间,由训练有素的实验人员完成。基本操作过程包括:设计需要合成的基因,由合成软件将要合成的基因,拆解成DNA合成仪可合成的短片段。
 
受到化学合成准确性的限制,目前还是以合成约60~70个核苷酸,通常实验室无法完成DNA合成的工作由商业公司完成,比如合成的基因片段长4000个碱基,那么我们至少需要合成4000/70=58条的单链核苷酸。这个过程通常要花费两三天时间,然后将这些短的单链DNA组装,并通过PCR的方法使其形成双链DNA,再将双链DNA装入到载体质粒里面,通过非细胞(或者细胞)结构的转录和翻译体系进行转录翻译,并最终得具有活性的蛋白。
 
整个实验过程通常要使用数个设备,如PCR仪、恒温培养箱、凝胶电泳系统和凝胶成像系统、纯化系统等,主要过程包括DNA的合成,组装和扩增,载体的连接,转录和表达等几个重要阶段。
 
此次设计的DBC集成化程度很高,甚至集成了DNA合成仪,它还采用了2X96的格式进行DNA合成,因此最大的合成通量定在了约为2X96X70=13440个碱基,可简单地理解为13440碱基之内的DNA都可以直接合成。研究者只需要输入设计好的DNA序列,DBC就可以按照既定的程序,从合成短片段的单链DNA开始,一直到最后阶段的蛋白表达,均可集成到一个自动化系统里面,可以说是一键完成了。此外,作者还优化了RNA疫苗的合成、病毒的复制以及噬菌体的产生等可能的使用领域。
 
但DBC也非横空出世。在这之前,硬件的主要提供商SGI—DNA公司已经有了从基因到克隆的自动化产品,只是集成的功能不如DBC强大。合作方Synthetic Genomics公司旨在人工设计和合成基因组,正如之前文特尔研究组合成的人工生命体Synthia一样,通过化学合成的方法合成基因组,将其导入到去掉染色体的细胞结构中,产生新的生命。真有些强大到没朋友的感觉。
 
DBC是人类向合成生命探索的一个阶段性成果,在合成生物学实验室推广DBC,将大大加速人工合成基因的效率,加速人工合成生命的发展。不过客观地讲,DBC并非革命性的工作,DBC是将原来需要人工完成的工作自动化、集成化,并没有新的设计思路。
 
下一阶段,相信任何“人力”也无法阻挡文特尔在合成生命上的脚步,DBC将推进人工合成基因组的发展,帮助人们更好地理解生命的本质问题。没准真的有一天,人类需要太空移民,这项技术可以帮上忙。
 
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Digital-to-biological converter for on-demandproduction of biologics. Nat Biotech. 2017. 
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