人类对生命的探索.doc

第三节 人类对生命的探索一、未来生物学的发展趋势在当代自然科学发展的大趋势下，人类对生命的研究将呈现如下发展趋势：（一）分子生物学将向纵深发展，继续保持其繁荣的势头分子生物学的兴起和发展，对蛋白质、核酸这些生物大分子的结构和功能的研究，揭示了生物的遗传、生长、分化、神经传导和免疫等许多生命现象的奥秘，使人们对生命现象的跃进到一个崭新的阶段，并带动生物学的各分支学科向分子水平发展。基因工程是人类进入一个按照自己的需要改造和创造新的蛋白则分子和新的物种的时代。生物大分子的三维结构不久将陆续得到解决。蛋白质工程将设计和制造各种改变结构的蛋白质以供功能分析。反向生物学采用从基因的结构和功能来推导蛋白质的结构和功能的方法，将从脑和其他组织中发现一大批用其他方法无法发现的新的蛋白质、多胎以及基因调控元件。从分子水平建立遗传、发育和净化的统一理论，将成为未来生物学最大的理论任务之一。（二）微观和宏观两极发展分子生物学在试图解决脑和发育这样复杂的问题时，传统分析方法已经不够用了，需要借助于新物理学整体思维的理论和方法。从分子、细胞和整体水平对脑和神经系统进行综合研究的神经生物学可能会成为未来生物学发展的一个高峰。向宏观方向发展的有综合生态学，包括自然系统生态学、医学生态学、工程生态学和普通生态学。生态学正在成为指导未来全球经济可持续发展和调整发达和发展中国家的经济关系的准则和科学依据。（三）高度分化和高度综合的辩证统一生命现象极其复杂多样，因此研究这些复杂生命现象的生物科学也产生了越来越多的分支学科，形成了现代生物学发展的高度分化。但另一方面，各学科之间，以及生物学与数、理、化诸学科之间的相互渗透、融合也越来越深入。这种渗透又产生了一系列的新的学科或边缘学科，如物理学渗透到生物学中来，产生的生物物理学、生物力学；量子力学渗透到生物学的研究中，就产生了量子生物学，从电子水平来解释生命现象。（四）未来生命科学研究路线图美国国立卫生研究院(National Institutes of Health, NIH)是世界上从事生命科学研究最重要的研究机构。随着人类基因组计划的完成和后基因组时代的到来，生命科学走到了一个新的十字路口，NIH也面临着新的抉择。什么是当前最紧迫的挑战？前进道路上的障碍是什么以及如何去克服？NIH应该采取什么样的努力？针对这三个关键问题，来自美国学术机构、政府部门和私人团体的300多名生物医学权威人士，在一年多的时间内进行了一系列的讨论，并由此形成了一个通向生命科学未来的“中长期发展规划”国立卫生研究院路线图（NIH Roadmap）。1、向“大”生物学进军作为一个指示未来的路线图，首要任务是确定方向和目标。在过去的50多年内，实验生命科学的主要目标是寻找特定的基因或蛋白质，从而在分子水平上根据个别的基因或蛋白质行为来解释生命活动。随着生命科学的进步和后基因组时代的到来，人们逐渐认识到，过去得到的图景过于简单，生命实际上是一个由成千上万种基因、蛋白质和其他化学分子相互作用构成的复杂系统；对于高等生物而言，除了分子层面的复杂行为外，还有着细胞、组织和器官等不同层面的复杂活动；生命现象是这样一种复杂系统的整体行为。基于以上认识，NIH路线图提出，其主要目标是研究和理解复杂生命系统。2、生命科学的定量化经过近一个世纪的努力，生命科学已成为一门实验科学并取得了很大的成绩，但是它尚未成为一门像物理学或化学那样的精密科学，因为生命科学的大多数研究都是定性的。NIH路线图的另一个战略目标，就是要获取关于生命活动和过程的定量的知识。除了发展用于定量研究的新技术和新方法外，加强大规模处理数据和信息的能力也是未来生命科学定量化研究的必要保障。3、工具和手段优先要实施生命科学的“大科学”研究和定量化研究的战略目标，经典的生物学实验手段显然难以满足，开发新技术和新方法必然成为NIH路线图要考虑的内容。从NIH路线图的第一个主题通向发现的新途径（New Pathways to Discovery）来看，路线图制定者的战略重点正是发展新技术和新的研究策略，而不是研究具体的生命现象或生物医学问题4、鼓励冒险和交叉NIH的管理者设立一种新的资助方式所长创新者基金，来解决具有原始创新性的申请存在风险的问题。这种基金将鼓励那些富有创造性的、不受现行理论和观念束缚的思想家提出和探索关于生命科学的独创性理念。“所长创新者基金”的管理一改传统的做法，申请人将通过一个严格的推荐程序，以便判定其理念可能对生命科学研究产生的“重大影响”和申请人从事该项研究的能力。申请人将不被要求提交详细的研究计划；他们可以围绕着其想法进行。当前生命科学研究的广泛性和复杂性不仅需要科学家的冒险精神，而且要求科学家走出自己的专业领域。NIH路线图在鼓励多学科交叉方面也下了很大的工夫。首先，NIH将建立若干个多学科交叉中心，这些中心试图打破传统的研究所的“围墙”，着重支持那些不同于经典研究方法的新型研究策略和手段。其次，为了组建多学科交叉的研究队伍，路线图专门设立了培训多学科交叉研究人员的基金，使每一个研究所或中心都来支持与自己研究目标相关或不直接相关的队伍建设，让不同学科的研究人员相互交流和沟通。5、从实验室到临床科学在过去主要是被研究者个人的兴趣所推动的，很少涉及社会的需求。但是，随着科学研究的规模化和社会化，今天的科学发展已经远离个人的喜好。仅仅从对科学研究的投入而言，科学研究就不可能不考虑公众和政治家的意愿。从某种意义来说，经费投入是当前生命科学研究的基础。例如NIH在1998年的预算是136亿美金，到2003年时已翻了一番，达到273亿美金。因此，NIH一直把防治疾病和为健康服务作为NIH所有研究活动的根本目的，甚至把现代生命科学的大多数学科如分子生物学、细胞生物学和遗传学等，都纳入到生物医学（biomedicine）的范畴。1990年代末期，NIH为了进一步加强生物医学研究和临床的结合，提出了一个被称为“从实验台到床前”（From Bench to Bedside）的计划。而NIH路线图在这种结合方面则提出了更为宏大的设想。路线图的制定者认为，美国的临床研究已经跟不上基础科学的迅速发展，如何使临床研究适应和满足生命科学的进步已成为未来最困难和最具挑战性的任务。为此，路线图的第三个主题就是“临床研究体系的重建工程”（Re-Engineering the Clinical Research Enterprise）。这一工程的核心内容是，在患者、医生和科研人员之间建立新型合作关系，通过这些努力使公众更广泛地参与到临床研究的过程中。整合现存的临床研究网络是这一工程的一项重要任务。它主要是通过加强信息和数据处理以及开发各种新技术，来提高整个临床研究体系的效率和产出。一个重要举措是开展临床研究信息学，建立一个让各地研究人员共享的标准化数据系统。为了适应21世纪生物医学的进步，加强对临床研究者的训练是必不可少的。路线图制定了两个主要的训练项目。第一个项目称为“多学科的临床研究训练班”，针对的是从事临床研究的博士生和博士后。第二个项目则是“NIH临床研究骨干班”，挑选以社区为基础开展研究的工作者接受专门的临床研究训练。这些研究骨干将在促进科学发现和将发现推广到社区的过程中扮演重要角色。转化过程如临床试验和评估一直是基础研究成果进入临床应用的瓶颈。“临床研究体系的重建工程”的另一项重要任务，就是要推进转化研究（translation research）。路线图计划在美国的不同地区建立转化研究中心；这些中心将提供精密的设备，为科学家完成一个产品从实验台到床前的中间步骤提供技术平台。此外，这些技术平台还可以提供涉及关键的转化研究如临床试验的相关服务。路线图还提出，要发展用于转化研究的新手段，如评判临床实验结果的新技术。不同于美国以往的生命科学研究计划，如1970年代的“攻克癌症计划”和1990年代的“人类基因组计划”，NIH路线图并没有给出具体的生物学问题。路线图的战略目标是，构造适应生命科学和临床研究发展的创新体系，组建从事未来生物医学的新型研究队伍，发展适用于复杂生命系统研究和定量化分析的新技术和新方法。显然，路线图制定者的意图，是系统地提升21世纪美国的生命科学和临床研究能力。二、新兴的生命研究领域-人工生命生命是什么？它是如何起源的？我们可以创造出生命吗？这些是人们一直在探索并试图回答的问题。20世纪60年代，人们破译了遗传密码，70年代遗传工程有了重大突破。很自然，生物学研究的下一个重要目标就是用人工的方法合成生命。然而，以现有生命物质为基础合成生命似乎前景并不乐观。那么，我们有没有其它办法创造生命呢？计算机科学的发展为我们提供了一条新的研究思路，即我们可以尝试在计算机或其他媒质中创造出新形式的生命。这就是80年代末90年代初在国际上兴起的一个新的研究领域人工生命研究的目标。工人生命概念一提出，吸引了众多学者参与到这一新兴的研究领域中。对于极端的活力论者来说，不仅生命与非生命有着不可逾越的界线，而且构造生命的物质与组成非生命的物质之间也有着本质的区别。在1828年，德国化学家维勒(F. Weiler)人工合成了存在于生物体的一种有机物尿素，第一次打破了“生”与“死”的物质壁垒。从此，人工合成生命成了生命科学工作者的一个梦想。在1960年代，中国科学家通力合作，采用化学方法首次成功地合成了具有生物活性的蛋白质结晶牛胰岛素，在人工合成生命的征途上跨出了一大步（当时中国最接近获得诺贝尔奖的科研成果）。目前人类的合成生命之梦主要包括以下几方面：1、合成基因组基因组是生命最基本的信息载体，在由成千上万的碱基构成的核酸链上，记载了生命活动需要的所有遗传信息。显然，人工合成基因组是合成生命的一个重要目标。尽管当今先进的核苷酸自动合成仪已经能够合成长达上千个碱基的大片段，但是，要合成一个没有任何错误的基因组，哪怕是像病毒那样仅有数千个碱基的小小的基因组，对研究者也是一个巨大的挑战。2002年9月，美国科学周刊登载了纽约州立大学石溪分校魏玛(E.Wimmer)小组的工作。他们用了3年的时间合成出了脊髓灰质炎病毒（poliovirus）的全基因组序列，共7500个碱基。经过实验证明，这些人工合成的病毒基因组不仅可以指导合成出与天然病毒蛋白质同样的蛋白质，而且它们同样具有侵染宿主细胞的活力。不久前，美国的科学家又一次传出了消息，一种称为X174噬菌体的病毒的基因组也实现了人工全合成。这一工作出自文特博士(J. C. Venter)领导的生物能转化研究所。凡是了解基因组测序的人都知道文特这个名字。正是他一个人带领一家公司，与国际人类基因组组织竞争，独自用“鸟枪法”测定了人类基因组框架图。完成了基因组测序后，文特博士又找到了一个更具挑战的课题人工合成微生物，计划用这类人造微生物去解决世界的能源问题和环境问题。作为这个宏伟目标的第一步，文特决定首先解决合成最小基因组病毒基因组的技术问题。文特等人大大改进了合成和拼接序列的技术，他们的基因组合成技术不仅可以在两个星期内合成一个5000个碱基以上的病毒基因组，而且有可能采用这一技术拼接出含3万个碱基或更大的基因组。为这个项目提供资助的美国能源部认为，文特博士的这一工作如同早期的测序工作一样，初看起来没什么大用，但从长远的发展来看，却可能有着巨大的潜力。而从基础研究方面看，合成生命的这个在基因组层面的进展意义则更为深远。2、扩增遗传密码在人工合成基因组时，最关键的任务是要保持合成的所有碱基序列与天然的序列完全一致，因为一个碱基的失误就有可能导致基因的突变，从而引起蛋白质功能的丧失。而这一切的根源要追朔到遗传密码。基因作为遗传的核心内容，被确定为一段具有特定碱基序列的DNA片段。在这段序列上的每3个相连的特定碱基决定一种氨基酸，这样的三碱基组合被称为遗传密码。也就是说，基因是由若干个遗传密码按特定的方式构成的，这些遗传密码决定了相应的蛋白质上氨基酸的种类和排列顺序。在自然界中绝大多数情况下，组成蛋白质的天然氨基酸只有20种，而4种碱基的三联体排列组合却可以得到64种（43）密码子。大量的实验室工作表明，生物体所具有的64种密码子中，有61种被用来编码20种天然氨基酸，剩余的3种则作为终止密码（非氨基酸密码）。这一编码规则在几乎所有的生物体包括动物、植物、微生物中都得到遵守。我们或许要向自然界追问，为什么只选择了20种氨基酸进行编码？尽管遗传密码最初的起源尚无定论，但改造遗传密码的工作却已经开始。美国加州大学伯克利分校的舒尔兹（P. G. Schultz）实验室不久前证明，通过人工的方法可以增加用来编码非天然氨基酸的新遗传密码3。他们首先把大肠杆菌基因组中的无义密码“UAG”确定为新的遗传密码候选者，然后通过遗传工程的方法诱导天然的转运核糖核酸（tRNA）突变并进行筛选，从中找到可以结合特定的某种非天然氨基酸，并且有相应反密码子“CUA”的独特的tRNA。在此基础上进而从氨酰-tRNA合成酶突变库中，筛选出可专一结合这种特殊tRNA的独特的合成酶。通过这三步过程，研究者成功地将一种非天然的修饰氨基酸，按照预定的指令（密码）编入了蛋白质的序列之中，使大肠杆菌的遗传密码第一次得到了人为的扩增。舒尔兹研究室在随后的工作中表明，这种增加遗传密码的新策略，可以用来在天然蛋白质的组成中添加各种各样的非天然氨基酸。目前他们已将13种具有新功能的天然氨基酸，通过增加新遗传密码的方式合成到蛋白质中去。人工增加遗传密码的方式不仅具有理论意义，而且更重要的是具有很强的应用价值。例如，可以把用荧光素或生物素标记的氨基酸整合进蛋白质以利于检测；或者将重原子标记的氨基酸整合进蛋白质，从而直接用于蛋白质晶体结构的分析。3、建造细胞的控制网络生命作为一个复杂系统，其行为受控于由许许多多不同的基因或者蛋白者相互作用形成的网络。在一个细胞内，存在有基因调控网络、信号转导网络和代谢网络等。随着系统生物学的发展，人们已经逐渐地认识到生命复杂系统构成的基本规律。而根据这些基本原理，科学家又可以人为地设计并建造非天然的控制生命活动的分子网络。近些年来，一门新的学科“合成生物学”（synthetic biology）正在形成。它类似于过去的遗传工程，根据生物系统设计的最基本规则，人工建造一些基本的生物部件（模块），然后用这些部件组装成生命复杂网络。 目前在建造生物网络的工作中，大多数研究者都集中在如何设计基因线路图（gene circuit 或 genetic circuit）方面。就如同工程师通常设计电路图一样，合成生物学家设计出了振荡器（oscillator）和反馈回路（feedback loop）等各种基本单元。例如美国普林斯顿大学的研究者在大肠杆菌中，导入了一个由三个抑制基因构成的元件。在这三个基因中，A基因抑制B基因表达，B基因将C基因关闭，C基因则将A基因关闭；此外，C基因可以诱导一个绿色荧光蛋白基因的表达。这样一个装置显然是一个有限回路的振荡器，通过外界环境对其中某一个基因的干扰，控制细胞内绿色荧光蛋白的合成，从而可以使大肠杆菌像灯塔一样闪烁。虽然研究者尽力去分析生命复杂系统，但是他们哪怕面对的是一个最简单的生物系统，仍然难以了解系统内的每一个参数，或预测系统的动力学精确特性。也就是说，人工设计是基于知识的不完备性。此外，当根据基本原理进行设计的人工网络置入到细胞内时，由于其功能的行使高度依赖于细胞内环境，因此人工网络在活细胞内的表现，很有可能不同于设计的预期，可能表现很差，甚至不起作用。不久前，美国的科学家巧妙地把基于理论的设计和人工定向进化方法（directed evolution）结合起来，将设计好的人工基因调控回路通过在细胞内选择的方式进行“自我完善”，从而使最初不理想的甚至不发挥作用的回路演化成为有功能的回路5。在这一工作中，研究者首先将两个带有不同基因和筛选标记的质粒，按照三个节点的逻辑控制门（IMPLIES logic gate）的功能要求进行设计和构造，并导入大肠杆菌。随后通过随机突变和选择的定向进化方法，得到了优于原设计功能的突变型质粒。4、赋予生命以新语言当前的人工基因线路图的设计与制造，大多是在单细胞水平上进行。但是，对于自然界的生命而言，多细胞系统的控制更为重要。作为单细胞个体的微生物，其活动总是发生在成千上万个个体聚集而成的群体之间；而作为多细胞生物的动植物，其细胞间的通讯必然是整个个体活动的必要条件。因此，要想真正地实现人工生命合成，更大的挑战是如何设计用于细胞间通讯的“人工语言”。从理论上讲，要想用工程的方法解决细胞与细胞之间的通讯，必须建造可以按预先设计的程序发出讯号的发送者，以及能接收讯号并做出响应的接受者。对于发送者，至少需要三种能力：合成用作讯号的化学物质并能将其分泌或扩散出去、调节讯号发生的控制器。对于接受者而言，需要有接收讯号的受体、信号转导途径，以及直接对讯号做出响应的反应器，或能与反应器相互作用的机制。不久前，美国普林斯顿大学的研究者报道了他们的一项最新成果：通过整合基因和代谢网络的功能，设计成功了细胞与细胞间的非天然通讯。研究者首先构建了利用氨基酸合成反应生成乙酯的基因调控回路，使这一代谢过程中形成的乙酯成为细胞间通讯的信号分子。此外，再构建一个利用乙酯调控氮代谢的基因表达系统作为接受者。由此人工建造了一种被称为“quorum sensing”（QS）的通讯方式。通过QS方式，细菌释放出自我诱导分子，并且当这类分子达到阈值浓度时（即细胞生长到一定的密度时），可以激活相关的代谢调控基因。从上述种种工作中可以看到，合成生物学家们已经取得了不小的进展。人们正在期待着，也许在不远的将来，研究者可以合成一个人工细胞。在2003年6月，美国劳伦斯-伯克利国家实验室成立了世界上第一个合成生物学研究部。一个欧洲范围的支持合成生物学的研究项目也已经启动。2004年6月，首届合成生物学大会将在美国麻省理工学院召开。合成生物学正在向我们走来。合成生物学有可能为世界能源危机和环境污染等，提供新的解决方案和新技术。当然，合成生物学是否会带来新的生物恐怖问题和对生命伦理的挑战，也应该加以足够的重视。不论好坏与否，合成生物学作为后基因组时代的一门新兴学科，已经表现出了巨大的生命力和广阔的运用前景。