“生命之书”之 创作篇
人工合成生命始终是研究者在探索生命奥秘过程中一个不灭的梦想。
早在1828年，德国化学家维勒就在实验室中利用氰酸铵合成了尿素，首次证明人类可以在实验室里利用简单的无机分子合成源自生物体内的有机化合物。上世纪60年代，中国科学家在世界上首次人工合成了第一个具有生物活性的蛋白质——由51个氨基酸组成的牛胰岛素；1981年又在世界上首次人工合成了具有生物活性的多核苷酸链——由76个核苷酸组成的酵母丙氨酸转移核糖核酸（酵母tRNAAla）。
随着科学技术的发展，近年来研究者在实验室合成生命的能力也在显著提高，他们甚至试图创作出自然界中不存在的“生命之书”。
试管里合成生命
人类基因组计划将出“编写版”
2010年5月，美国生物学家文特尔发布了世界上首个“人造生命”——科学家依据一种最简单的细菌基因组序列信息，首次全人工化学合成了这个完整的、长度超过100万个碱基的基因组。而且，含有这一人造基因组的人工细菌能够展现出相应的生命活动。
不久前，美国和中国等多国科学家联合发起的“合成酵母基因组计划”，提出了一个更为宏大的目标——把拥有大约2400万个碱基的酵母细胞基因组序列用化学合成的方式复制出来，目前这个项目进展估计已经过半。
上世纪90年代启动的“人类基因组计划”的目标，是把人类自身这部由30亿个碱基构成的“天书”通过测序技术完整地“阅读”一遍。它的实施，为生命科学和医学带来了革命性变化。2016年5月，百余位专家学者提出，要把人类基因组这部“天书”用化学合成的方式在试管里“写”出来，称为“人类基因组计划——编写版”（HGPWrite）。可以想见，一旦HGP-Write正式实施，必将对人类认识和控制自身带来更为深远的影响和意义。
设计和改造生命
按照人的意愿进行全新创作
研究者的脚步并没有停留在按照自然界已有的“生命之书”进行复制，而是开始按照人的意愿来创作全新的“生命之书”。
例如，美国生物学家文特尔在其化学全合成的首个“人造生命”上进行了设计和改造，把他认为冗余的或非必需的基因“句子”从该基因组上删除，化学合成了一个比原基因组碱基序列少了一半的“微型细菌基因组”。而含有这个微型基因组的细胞，其自我繁殖的速度比具有全长基因组序列的细胞快了近五倍。
自然状态下的“生命之书”通常拥有64个“单词”——遗传密码子，用来指导20种天然氨基酸合成蛋白质，其中有一些密码子是冗余的，称为“同义密码子”。2019年，英国科学家发布了一个“人造”大肠杆菌，它含有一个人工设计并化学合成的人造大肠杆菌基因组，其中全新设计并合成的人工基因“句子”大约包含400万个碱基对；在这些人工设计的基因里，只保留了61个遗传密码子，删除了3个同义密码子，这些改造过的基因序列仍然可以制造出正常的蛋白质。
研究者不仅试着修改基因“句子”和密码“单词”，还在碱基“字母”上做起了文章。2014年，美国研究者宣布他们在大肠杆菌的DNA序列里加入了两种非天然碱基——dNaM和dTPT3，这两个碱基也能够在体内通过复制的方式传递信息。而在2017年的论文里，这些研究者进一步证明，这两个插入到天然基因序列里的非天然碱基，同样能够在蛋白质合成中引导特定的非天然氨基酸。
（吴家睿，中国科学院生物化学与细胞生物学研究所研究员）
来源：基因谷
注：封面图片来源于网络