這回中國人工合成領先一步

人造單染色體酵母與天然酵母細胞對比圖，兩者形態(tài)相似，但染色體的三維結構有巨大改變。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所供圖

最前沿領域的科技較量，有時好比是一場過程驚心動魄、結果撲朔迷離的賽車比賽：跑道上兩輛旗鼓相當?shù)馁愜囉星坝泻螅瑫r而并駕齊驅(qū)，時而一方搶先，一方又迎頭趕上，見證最終實力的往往是最后一個彎道，看誰馬力更足狂奔依舊，一腳油門踩得恰到好處，率先甩尾沖線，便可鎖定勝局。

借此來形容合成生物這一21世紀新興研究領域“不見硝煙的較量”似乎十分貼切。

8月2日，國際頂級學術期刊《自然》雜志頗為罕見地同時刊發(fā)了同一“選題”的兩篇科研成果：一篇出自人工合成領域“老將”、美國科學院院士、紐約大學醫(yī)學院教授杰夫·博克團隊;一篇來自中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所合成生物學重點實驗室覃重軍研究團隊及其合作者。

兩個成果提及的實驗和分析各有千秋，但從結果來看，前者只做到“16合2”，而后者做出了“16合1”。

這一次，中國領跑了。

消息傳出后，自然科研中國區(qū)總監(jiān)保羅·埃文斯毫不掩飾自己的激動：“他們(中國科學家)創(chuàng)造了一種只有1條染色體的新酵母菌株，顯示了中國在建立起可持續(xù)的科研生態(tài)體系方面的投資和眾多努力，有利于基礎研究的開展和探索關于生命的基本問題。”

中國科學院院士趙國屏的評價則流傳更廣：這項成果是繼上世紀60年代人工合成結晶牛胰島素和tRNA之后，中國學者再一次利用合成科學策略，去回答生命科學領域一個重大的基礎問題。

如今成果發(fā)布已經(jīng)過去一段時間，隨之而來的思考和追問并沒有停止。作為成果負責人的覃重軍告訴記者，這可能是他從事科學研究以來“最耀眼的一次”，除了偶爾和他人談起來難掩興奮，他的工作和生活沒有太多變化，繼續(xù)加班加點準備搶下“下一場比賽”。

這技術能合成“人”嗎

這項合成生物領域的最新成果發(fā)布后，一個說法備受矚目，即“自然生命的界限可以被人為打破，甚至可以人工創(chuàng)造全新的自然界不存在的生命”。這是否挑戰(zhàn)了人類對自然的傳統(tǒng)認知?人工改造的“簡約版生命”依舊可以存活的背后，有無倫理問題?

這要從最基本的問題說起：究竟什么是合成生物學。

在科幻電影《侏羅紀公園》中，科學家利用天然琥珀中保留的恐龍血液，提取修復DNA分子結構等技術，培育出已經(jīng)滅絕的恐龍。這種看起來頗為超前的生命科學理念，就是合成生物學的“電影版本”。

覃重軍說，合成生物學希望效仿物理學，通過人工構建“理想化、簡約化的體系”發(fā)現(xiàn)規(guī)律，然后運用規(guī)律，讓人類能夠像組裝機械那樣組配新生物、模仿造物者的超能力。

曾經(jīng)有一種說法，當大家感慨于因發(fā)現(xiàn)青蒿素而獲得諾貝爾獎的屠呦呦時，卻忽略了另一個幕后英雄——合成生物學。正是它改造酵母生產(chǎn)青蒿素，實現(xiàn)了青蒿素的大規(guī)模制備。事實上，自2002年人類歷史上第一個人工合成病毒——脊髓灰質(zhì)炎病毒在美國紐約州立大學誕生以來，合成生物學已經(jīng)成為全球研發(fā)的熱點領域和各國搶占的科技高地。

這次成果不可小覷。這次的實驗對象——釀酒酵母，是單細胞真核生物，而包括人類在內(nèi)的高等動物是多細胞真核生物，如今既然已經(jīng)合成了單細胞真核生物，未來是否也能合成多細胞真核生物?

覃重軍說，操作起來雖有難度，但并非不可能。接下來他所在的研究團隊也會進行多細胞生物實驗。不過，可以明確的是，不會做人的實驗。

趙國屏說，這次實驗可以幫助人們“用最簡生命來理解復雜生命”，這不是對生命本質(zhì)的挑戰(zhàn)，而是為人類對生命本質(zhì)的研究開辟了新方向，是真正的“敬畏生命”。

而且，這項研究對于提升疾病防治水平具有重要意義。覃重軍說，人類的衰老、基因突變、腫瘤形成等都與染色體末端的保護結構——“端粒”的縮短密不可分，當端粒變得不能再短時，細胞就會死亡。

如今的成果就好像打開一個窗口。覃重軍說，釀酒酵母有1/3的基因與人類基因同源，但天然酵母具有32個端粒，研究起來困難重重，人造的“單染色體”酵母則只有2個端粒，能夠為研究人類端粒功能及細胞衰老提供一個很好的模型。

有多少人能容忍“5年不在該領域發(fā)一篇論文”

人類能否創(chuàng)造生命?不管是針對這個問題的思考還是實踐，國際同行起初一直走在中國人的前面。

自然界存在的生命體可以分為真核生物和原核生物。2010年，美國科學家克萊格·文特爾在《科學》雜志報道了世界上首個“人造生命”——含有全人工化學合成的與天然染色體序列幾乎相同的原核生物支原體?；蚪M層面上，化學合成生命的大門就此開啟。

“染色體的數(shù)量因物種而異，例如，人類擁有23對染色體，但我們的猿類近親擁有24對，而雄性杰克跳蟻只有1對染色體，為什么會存在這種區(qū)別，特定的染色體數(shù)量是否給特定物種提供了某種優(yōu)勢?”覃重軍“腦洞大開”，提出了一個大膽的假設——

可不可以打破原核生物和真核生物之間的界限，人為創(chuàng)造1個單染色體的真核生物，并具有正常的功能?換句話說，真核生物能否像原核生物一樣，用一條線型染色體，裝載所有遺傳物質(zhì)并完成正常的細胞功能?

在“大膽猜想”之后，覃重軍與薛小莉副研究員作為“手術”總設計師，制定了整個實驗設計、工程化推進的總體方案。博士生邵洋洋則擔任“主刀醫(yī)生”的角色，從2013年開始嘗試將釀酒酵母基因組內(nèi)大量的重復序列切掉，只保留一個拷貝，然后再將染色體全部重新拼接合成。

這一試，就是4年：通過15輪的染色體融合，最終成功創(chuàng)建了只有一條線型染色體的釀酒酵母菌株SY14——“這條‘超級染色體’，接近原來最大一條長度的10倍”。投稿后，顛覆性的結果“嚇壞”了評委，又讓他們補充做了實驗并提交證據(jù)，這一做，又是近一年。

過去的整整5年，覃重軍沒有發(fā)表過一篇與酵母相關的論文，“換在別的單位，或許早就被開除了!”

誰都希望創(chuàng)造出一個大成果，但厚積薄發(fā)的過程卻是枯燥、艱辛而漫長的。覃重軍透露，他所在研究組的經(jīng)費一度“赤字”超過幾百萬元，有些單位的研究組賬面少于一定數(shù)額，就可能被關閉，而他所在的研究所卻包容了這個研究所最大的“負翁”。

中國科學院院士、中科院分子植物卓越中心/植生生態(tài)所所長韓斌說，研究所更看重人才的長期發(fā)展，以及受到國際評估認可的研究方向，需要5年到10年才能作出的重大成果，值得耐心等待。

如今出爐的成果，沒有辜負這份等待。保羅·埃文斯說，中國科學家這次融合顯著改變了三維染色體結構，經(jīng)證實，改造后的酵母細胞出乎意料地穩(wěn)健，在不同的培養(yǎng)條件下，沒有表現(xiàn)出重大的生長缺陷。

是什么支持著科學家一次次從失敗中爬起

走進覃重軍的實驗室，堆放在他案頭上，是2000多頁A4紙,密密麻麻、用不同顏色寫滿的科學靈感和實驗思考，這其中不少就來自他散步時記下的思考瞬間。

他告訴來訪的記者，不忙時他還喜歡翻閱《愛因斯坦文集》《巴斯德傳》，“心若繃得太緊，很難有創(chuàng)新想法，技術領先常常是短暫的、容易模仿的，只有創(chuàng)新思想領先，一般人是不容易趕上的”。

在覃重軍看來，每一次基礎研究的比拼，都不只是時間上的賽跑，更是理念上的交鋒，以及實驗操作上的高低之分。他還記得，中國團隊曾經(jīng)“遭遇”過染色體融合之后酵母就不生長的問題，核查之后發(fā)現(xiàn)還是在操作上出現(xiàn)了誤差，“把著絲粒附近重要的基因損傷了”——這些細節(jié)，或許正是染色體融合成功與否的關鍵。

覃重軍有時會想起1992年的自己。那時還是一名博士生的他，在博士論文的后記里寫下了這樣的話：“近1300頁的實驗記錄中，失敗何止百次!然而，沒有一次失敗能夠真正打垮我，為什么?照亮我前進的道路并不斷給我勇氣去正視失敗的，是對科學的熱愛，對揭示生命世界奧秘的向往以及科學發(fā)現(xiàn)給我?guī)淼募冋娴目鞓?hellip;…”

26年后的今天，當年的“科學夢想之心”依然年輕。覃重軍憨笑道，“科學是一條無窮無盡的探索之路，也許一生都會這樣干下去。”