“世纪幽灵”复活?合成生物技术的喜与忧

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楼主 2020-10-11 13:49:22
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作者:陈逗逗(中国科学院武汉病毒研究所)


驾着超跑在纽约市中心追逐鹿群、在航母上打高尔夫、商店里的货物应有尽有任君挑选……听起来很炫酷很惬意有木有?


但,如果你是整座城市里唯一幸存的人呢?


 一个传奇的产生 


这旷世孤独的一幕来自于威尔·史密斯(Will Smith)饰演的末世科幻电影《我是传奇》。科学家利用基因工程技术将麻疹病毒进行了改造,用以治疗癌症,治愈率可达100%。


《我是传奇》电影海报

然而,人类的欢呼并没有持续多久。


不久,改造后的病毒变异了。病毒变得通过空气就能传播,并以一种难以抵御的速度迅速笼罩了整个纽约,乃至整个地球。


全球60亿人口中的90%从地球上永远消失,留下1200万免疫者(包括男主角)幸存。剩下9.8%的人类变成了令人惊怖的活僵尸——“夜魔”(Darkseeker)。

 

 《我是传奇》电影片段

进入21世纪以来,生命科学延续了自上个世纪中叶以来的迅猛发展势头。《我是传奇》电影中提到的基因改造病毒,即采用了新兴合成生物技术。


在科学飞速发展的同时,人们也在思考对生命的改造是上帝的专利还是人类的利剑。于是各类相关科幻灾难片大行其道,如电影《生化危机》系列、《侏罗纪世界》、《十二只猴子》等等。


这些影片火爆的背后,体现了人们对生命技术发展的隐忧。


 复活的“幽灵病毒”?


这些隐忧不无道理。


今年7月,世界顶级科学刊物《科学》网站报道,加拿大阿尔伯塔大学医学微生物及免疫学教授戴维•埃文斯(David Evans)带领的团队只花了10万美元,就将邮购的遗传碎片拼接在一起,复活了一种早已灭绝的痘病毒——马痘病毒(horsepox)。


目前研究认为,马痘病毒对人类甚至马都没有威胁,而其引起广泛关注的原因在于马痘病毒与天花病毒是近亲。


人们担心,既然人工能让灭绝的马痘病毒复活,那“幽灵病毒”天花重返人间似乎只是时间问题。

 

 天花病毒(来源:Eye of Science/Science Source

生活在21世纪的读者对天花病毒认知最多的可能便是康熙皇帝因得了天花却幸存才被立为储君,最终成为一代帝王的“野史”了。得益于数代科学家和医学工作者的不懈努力,作为被人类征服的首个病毒,现今我们已很难体会天花病毒的可怕。


其实,在长达几个世纪的时间里,天花可以称得上是最致命的疾病之一。


天花具有高度传染性,死亡率高达30%。即便侥幸从病魔手中挣脱,幸存者的脸上也会留下天花的印记——麻子。《枪炮、钢铁与细菌》一书中提到,死于天花等病菌的印第安人,要比在战场上死于欧洲人的枪炮和刀剑下的多得多。


既然如此,合成这些高致病性病毒是否是No zuo No die?这种有可能被恐怖分子利用而产生严重后果的研究,它的意义在哪?又如何去控制监管呢?


合成生物学带来福音


从古至今,人类一直致力于改造、设计生物系统来满足自身生存需要,比如对动物和水稻等农作物的驯化选育等。


1953年,沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构。自此,“生命之谜”被人类打开。人们发现改造特定遗传序列比传统的驯化和育种更为有效,于是合成、改造生物开始逐渐蓬勃发展。


 DNA双螺旋结构

2002年,纽约州立大学几位病毒学家首次合成病毒——脊髓灰质炎病毒;2010年,美国科学家人工合成首个“人造细胞”,命名为“辛西娅”(Synthia); 2014年,第1条合成酵母染色体在酵母细胞呈现正常功能;令人震撼的是,2016年,美国学者即开始积极策划极具争议的人染色体合成。2017年4月,中科院武汉病毒所胡志红研究员团队在线发表了人工合成杆状病毒的相关论文;2017年9月美国科学家人工合成了疱疹病毒,这也是迄今为止,所报道成功合成的最大DNA病毒。


合成生物学是一门涉及微生物学、分子生物学、系统生物学、遗传工程、材料科学以及计算科学等多个领域的综合性交叉学科。如果把生物体比作一台机器,所有的生物大分子DNA、RNA、蛋白质都是可标准化的元件。合成生物学就是利用工程化的设计理念,实现从元件到模块再到系统的“自下而上”设计,实现所需的功能。这种设计包括改造现有生命机器,以及重新生产新的生命机器。


可以预见的是,未来可以像组装电路那样将生物的遗传元件进行各种组装,并有望生产出一些超常规的产品,甚至再造各种不同的器官、组织。合成生物学的最高境界是灵活设计和改造生命,重塑生命体。


这种技术给未来指明了一条提高工业生物技术竞争力、降低生物制造成本、改造生命体的可能的道路,在医药、能源、农业、环保等产业都具有惊人应用潜力。


例如,2015年诺贝尔生理学或医学奖让青蒿素和屠呦呦这两个名字登上世界级舞台。其实这种抗疟疾特效药能够拯救全球数以百万计的生命,还要归功于另一个幕后英雄:合成生物学。因为野生青蒿的青蒿素含量普遍过低,提取产量低,无法满足医疗需求。科学家们通过合成生物学手段,在大肠杆菌和酵母中合成出青蒿素的前体物质“青蒿酸”,才大幅增加了青蒿素产量。

 

左:2017年3月,Science封面故事“逐段重塑酵母基因组” (Remodeling yeast genome piece by piece)。右:《生物工程学报》合成生物学专刊封面展现遗传物质DNA组装

To be or not to be



合成生物学这类研究之所以称作两用研究(dual-use research),是因为它们能够潜在地增加科学知识,但是它们也能够被不正当地使用而产生全球的健康后果。而决定它们是否会危害人类的选择权,也握在人类手中。


其实世界各国政府和国际组织都已经意识到合成生物学可能带来的安全和伦理问题,也已经部署相应的行动。


比如《美国法典》就规定,合成达到与天花病毒基因组85%相似性的基因序列,属于违法故意合成、制造天花病毒。


我国也通过召开香山科学会议、东方论坛等,多次组织科学家对合成生物学可能存在的风险和防控进行探讨,并陆续出台一些相关管理文件。


“我叫罗伯特·内弗,我是纽约的幸存者……每天正午时分我都会在南街海湾,如果任何人能听到……如果还有人能听到,你并不孤独!”


 威尔·史密斯在影片中一遍遍寻找着同类。我们不希望人类最终走向这样的孤独。


正如影片中所说:“上帝并不需要对这些负责,是人类在咎由自取!”任何技术的发展都可能是一把“双刃剑”,如何在确保生物技术发挥最大作用的同时,避免破坏人类世界生存法则,是人类自身需要孜孜探求的。


参考文献:

1. 梁慧刚,黄翠,宋冬林等. 合成生物学研究和应用的生物安全问题。科技导报,2016,34(2):307-312.

2. 邢玉华,谭俊杰,李玉霞等. 合成生物学的关键技术及应用进展中国医药生物技术。中国医药生物技术,2012,7(5):357-363.


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