全球最頂尖的科學(xué)家們一直在追求極致的人造生物。繼人工染色體、人工細(xì)胞膜之后，1月15日，普林斯頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)室在Nature Chemical Biology發(fā)表題為：A de novo enzyme catalyzes a life-sustaining reaction in Escherichia coli 的研究文章，他們成功合成了一種從未存在過(guò)的全新蛋白，能在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用的人工蛋白酶，而且它還能使細(xì)胞起死回生。
Michael Hecht, a professor of chemistry at Princeton University
眾所周知，酶是生命運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵鑰匙。所謂的“生物學(xué)”實(shí)際上是生化反應(yīng)和催化的系統(tǒng)科學(xué)，每個(gè)關(guān)鍵步驟都需要酶的催化。沒(méi)有酶，有些反應(yīng)的速度就不夠快，支撐不了生命體生存……蛋白酶的本質(zhì)是催化劑。它們是全宇宙最優(yōu)秀的催化劑，經(jīng)歷了數(shù)十億年的進(jìn)化篩選，在生物體內(nèi)，因?yàn)橛忻福磻?yīng)速度被提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
Michael Hecht和他實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)并創(chuàng)建的蛋白質(zhì)可以折疊和模擬生命賴以存活的化學(xué)反應(yīng)。這種人工蛋白完全由合成基因編碼，內(nèi)含20種氨基酸，總長(zhǎng)度約為100個(gè)氨基酸。Hecht等人證明，該蛋白至少能催化一個(gè)生物反應(yīng)。
創(chuàng)造具有體外催化活性和體內(nèi)生物功能的酶是合成生物學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。Syn-F4是首個(gè)從頭合成（de novo），同時(shí)滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的人工蛋白，文章一作Ann Donnelly說(shuō)。“這些蛋白不僅僅‘長(zhǎng)得像酶’，它們確實(shí)能催化其他細(xì)胞生產(chǎn)過(guò)程。”
純化的Syn-F4能水解含鐵鐵腸菌素（siderophore ferric enterobactin），表達(dá)Syn-F4能讓原本無(wú)法存活的大腸桿菌在鐵限制培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，表明新序列能為生物體提供維持生存的酶功能。
敲除大腸桿菌（E. coli）四個(gè)特定基因，細(xì)胞就會(huì)失活而死，當(dāng)把人工設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)注入這些大腸桿菌后，竟能令它們起死回生！
這是目前唯一被證明可以拯救基因缺失的外源蛋白（非生物本源序列）。
小紅點(diǎn)是缺失Fes酶的大腸桿菌，健康形態(tài)的大菌落是攜帶Syn-F4酶的新細(xì)菌。這是在含鐵培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的情況，如果在鐵限制培養(yǎng)基上，缺陷型大腸桿菌因?yàn)闊o(wú)法存活，所以連小紅點(diǎn)都沒(méi)有。
數(shù)百萬(wàn)年細(xì)胞才進(jìn)化出Fes酶來(lái)水解腸菌素（enterobactin），研究Fes的結(jié)構(gòu)、功能和機(jī)制，通過(guò)相關(guān)序列來(lái)推斷其演化過(guò)程并不太難，難的是面對(duì)水解腸菌素生化問(wèn)題，F(xiàn)es是否只是其中一種解決方案。Donnelly等人現(xiàn)已證明，一種從未存在過(guò)的酶（僅限實(shí)驗(yàn)室制造），可能是該生化問(wèn)題的另一個(gè)解。
這是首個(gè)完全從頭設(shè)計(jì)，可作為酶在細(xì)胞內(nèi)行使功能的人工蛋白。
這意味著，人類將跳出自然界局限來(lái)生產(chǎn)蛋白質(zhì)，原本需要花費(fèi)數(shù)十億年才能進(jìn)化出的蛋白，原來(lái)只要花費(fèi)幾個(gè)月就能創(chuàng)造。
合成生物學(xué)被推到了另一個(gè)嶄新的時(shí)代！
合成生物學(xué)大事記
合成生物學(xué)（synthetic biology），最初由Hobom B.于1980年提出來(lái)表述基因重組技術(shù)，隨著分子系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，2000年E. Kool在美國(guó)化學(xué)年會(huì)上重新提出來(lái)，2003年國(guó)際上定義為基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程和工程方法的人工生物系統(tǒng)研究，從基因片段、DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)傳導(dǎo)路徑到細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成，將工程學(xué)原理與方法應(yīng)用于遺傳工程與細(xì)胞工程等生物技術(shù)領(lǐng)域。
1953年4月25日，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在Nature發(fā)表了一篇名為“核酸的分子結(jié)構(gòu)--DNA的一種可能結(jié)構(gòu)”的論文。（他們與威爾金斯、富蘭克林之間的恩怨情仇改天專門(mén)寫(xiě)一篇）。這篇僅1000字的論文被譽(yù)為“生物學(xué)的一個(gè)標(biāo)志，開(kāi)創(chuàng)了新的時(shí)代”。這是在生物學(xué)歷史上唯一可與達(dá)爾文進(jìn)化論相比的最重大發(fā)現(xiàn)，它與自然選擇一起，統(tǒng)一了生物學(xué)的大概念，標(biāo)志著分子遺傳學(xué)的誕生，是科學(xué)史上的一個(gè)重要里程碑，也是日后合成生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。
沃森（圖左）和克里克（圖右）與DNA雙螺旋模型
1965年9月17日，以王應(yīng)睞為首的中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)，完成了結(jié)晶牛胰島素的全合成。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格鑒定，它的結(jié)構(gòu)、生物活力、物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶形狀都和天然的牛胰島素完全一樣。鈕經(jīng)義、龔岳亭、鄒承魯、杜雨蒼、季愛(ài)雪、邢其毅、汪猷、徐杰誠(chéng)、陸德培等9人位主要完成人。這是世界上第一個(gè)人工合成的蛋白質(zhì)。也是我印象中唯一登上中學(xué)生物教材的國(guó)人研究成果。
人工全合成結(jié)晶牛胰島素
1968年，赫伯特·韋恩·伯耶（Herbert Wayne Boyer）（圖4）分離得到了一種限制性內(nèi)切酶-EcoRI，發(fā)現(xiàn)其可以在特定位置將DNA切開(kāi)，并獲得具有粘性末端的DNA片段。限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)未即將到來(lái)的基因工程時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。（有趣的是，伯耶在沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)后，決定從醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)向DNA研究，并把他的兩只寵物貓起名為沃森和克里克。）
1970年，科蘭納（H. Gobind Khorana）首次用化學(xué)方法人工合成了有77個(gè)核苷酸對(duì)的酵母丙氨酸的結(jié)構(gòu)基因。這是人類首次合成真核生物基因。
H. Gobind Khorana
1973年，赫伯特·韋恩·伯耶（Herbert Wayne Boyer）和斯坦利·諾曼·科恩（Stanley Norman Cohen）構(gòu)建了一個(gè)重組質(zhì)粒，并發(fā)現(xiàn)重組質(zhì)粒可以在大腸桿菌內(nèi)復(fù)制和表達(dá)。隨后，他們發(fā)現(xiàn)將葡萄球菌的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到大腸桿菌后仍然可以具有復(fù)制能力，這些發(fā)現(xiàn)宣告了基因工程的誕生，這是人類第一次打破不同物種在億萬(wàn)年中形成的天然屏障實(shí)現(xiàn)了基因轉(zhuǎn)移。從此人類可以按自己的意愿去拼接基因，定向地改造生物的遺傳特性，甚至創(chuàng)造新的生命，基因工程在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)。
1977年，赫伯特·韋恩·伯耶（Herbert Wayne Boyer）化學(xué)合成了人生長(zhǎng)激素抑制因子的基因。然后將該基因與大腸桿菌質(zhì)粒重組后轉(zhuǎn)入大腸桿菌，制造出5毫克人的生長(zhǎng)激素抑制因子。從羊腦中提取的傳統(tǒng)方法需要50萬(wàn)個(gè)綿羊腦袋才能提取5毫克生長(zhǎng)激素抑制因子。通過(guò)基因工程方法合成，大大降低了成本和時(shí)間，更是大大降低了肢端肥大癥、急性胰腺炎和糖尿病等多種疾病的治療成本。
赫伯特·韋恩·伯耶（圖左）和斯坦利·諾曼·科恩（圖右）
1977年，弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）發(fā)明了雙脫氧鏈終止法（也稱Sanger法）用于DNA測(cè)序，DNA的序列分析是進(jìn)一步研究和改造目的基因的基礎(chǔ)。桑格因測(cè)定胰島素的氨基酸序列獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，因發(fā)明Sanger測(cè)序法獲得1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，是目前為止唯一一位兩獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家。有趣的是，1983年的一天，65歲的桑格在專心做實(shí)驗(yàn)時(shí)突然感到自己已經(jīng)夠老了，于是停下了實(shí)驗(yàn)并宣布自己退休，從此在自己的花園里度過(guò)了余生。。。
弗雷德里克·桑格
時(shí)間很快來(lái)到了21世紀(jì)
2002年7月1日， Eckard Wimmer在Science發(fā)表論文，合成了脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組，并能產(chǎn)生有生物活性的病毒。這是人類第一次合成病毒基因組。
2010年5月20日，克萊格·文特爾（John Craig Venter），及其團(tuán)隊(duì)成功合成了一個(gè)人造細(xì)胞，這個(gè)人造生命體被文特爾命名為Synthia，該研究歷時(shí)15年，花費(fèi)超過(guò)4000萬(wàn)美元。
2017年3月24日，文特爾及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造出了最簡(jiǎn)單的人工合成生命體。此次設(shè)計(jì)的人工生命僅有維持生命所必須的473個(gè)基因，是目前已知最小的生命體基因組。
克萊格·文特爾，這或許是文特爾最有代表性的一張照片--一面科學(xué)家，一面商人
2017年3月10日，Science雜志推出了一期“合成酵母基因組”特刊，共7篇研究長(zhǎng)文報(bào)道了合成生物學(xué)的里程碑進(jìn)展——5條酵母染色體的從頭設(shè)計(jì)與合成。結(jié)果顯示合成的人工染色體具有比較完整的生命活性。值得一提的是，清華大學(xué)、天津大學(xué)以及華大基因等國(guó)內(nèi)單位是該系列工作的重要參與者。人類距離合成真核生命越來(lái)越近了。
Science雜志封面的酵母染色體合成
2017年11月29日，Scripps研究所的Floyd Romesberg在Nature發(fā)表文章：A semi-synthetic organism that stores and retrieves increased genetic information.
生命的遺傳物質(zhì)DNA（少數(shù)病毒的遺傳物質(zhì)是RNA）由四種脫氧核苷酸組成，分別是腺嘌呤脫氧核苷酸（簡(jiǎn)稱A ）、胸腺嘧啶脫氧核苷酸（簡(jiǎn)稱T）、鳥(niǎo)嘌呤脫氧核苷酸（簡(jiǎn)稱G ）、胞嘧啶脫氧核苷酸（簡(jiǎn)稱C ）。30多億年前，地球上誕生了最早的生命藍(lán)細(xì)菌，從那時(shí)起，生命的遺傳物質(zhì)就由這四個(gè)字母（A/T/G/C）構(gòu)成（堿基修飾除外）
2014年Floyd E. Romesberg在Nature上發(fā)文報(bào)道了另外兩個(gè)人工創(chuàng)造的核苷酸X和Y，這些合成的堿基可以參與大腸桿菌中DNA的復(fù)制。
Floyd E. Romesberg此次的研究將三年前的工作向前大大推進(jìn)了，合成的堿基X和Y不僅參與DNA復(fù)制而且還能夠參與編碼產(chǎn)生非經(jīng)典氨基酸組成的蛋白質(zhì)。將人工合成的堿基對(duì) X-Y 摻入綠色熒光蛋白基因（GFP）中，將TAC密碼子更換為AXC，然后創(chuàng)造了一個(gè)含有對(duì)應(yīng)反密碼子的GYT轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）并攜帶了一種名為PrK的非經(jīng)典氨基酸（天然蛋白質(zhì)中很少發(fā)現(xiàn)）。
表達(dá)GFP的大腸桿菌
該研究被大神George Church認(rèn)為是“里程碑式的探索”。這一研究成果也稱得上是合成生物學(xué)領(lǐng)域的里程碑事件了。
聯(lián)系客服
