合成酵母的科學雜志當期封面

來源：通信和互聯網的掃地僧

2016年以來，以AlphaGo為標志的人工智能技術進入了發展的快車道，成為了民眾熱議的話題。2017年12月27日，華大基因董事長汪建在深商大會上表示，未來的5-10年，我們可以化學合成任何生命，人工生命（合成生命）的進展可能比人工智能還快。此言一出，立刻引起了巨大的反響。

汪建先生的話，源于2017年3月15日天津大學、清華大學和華大基因的科學家同時在科技界頂級雜志《科學》（Science）發表的四篇文章，這四篇文章分別描述了如何用化學的方法合成酵母基因組的4條染色體。這是構建人工生命的一個非常重要的進展。這項工作，入選了我國十大科技新聞和生命科學十大進展。

DNA與染色體

1、基因組和染色體都是什么？

地球上的不同生命或者不同物種，都是由其細胞內的遺傳物質，即脫氧核糖核酸分子（DNA）決定的。DNA分子很特別，是一種雙鏈的結構，含兩條由四種不同核苷酸單體串起來的單鏈，以反向的雙螺旋互相糾纏延伸。這四種核苷酸單體結構很相似，分為三個部分，其中二個部分的結構都是相同的，只有一個部分的結構不同，這部分結構叫“堿基”，根據堿基的不同，四種核苷酸單體分別叫 A、T、G、C。非常奇妙的是，A與T、G與C可以通過其堿基配對。DNA分子就是通過這些單體的配對而形成雙鏈。一條單鏈上某個位置如果是單體A，對應的另外一條單鏈上必然是單體T。DNA雙鏈分子結構，是1953年由美國科學家詹姆斯·沃森（James Watson）與英國科學家弗蘭西斯·克里克（Francis Crick）發現的。他們后來得到了1962年諾貝爾生理或醫學獎。

四種A、T、G、C單體的不同排列組合，就構成了每種生命的密碼本。DNA雙鏈分子上有不同的區域，有的代表基因，有的和基因調控相關，但是也有一些區域（比如細菌的DNA）甚至很多區域（比如人的DNA），我們其實還不知道有什么作用。奇怪嗎？不奇怪?？茖W上還有太多太多未知。因為DNA雙鏈分子上分布著基因，所以科學上通常又把一個物種的DNA統稱為“基因組”。不同物種的基因組大小不同，通常以“百萬堿基對”為單位。嚴格意義上，其實這是“百萬核苷酸單體對”。但是生物學很特別，跟其他理工科不同，存在很多說法上的約定俗成，行外人可能哭笑不得，行內人倒習以為常。這里按下不表。

2、我們什么時候破譯了各種生命的基因組序列或者密碼本？

1970年代之前，我們其實不知道任何基因組的具體ATGC序列。其后，美國科學家沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert） 和英國科學家弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）發明了DNA測序方法，并因此獲得了1980年諾貝爾化學獎。特別值得一提的是，祖籍福州的美籍華人、美國康內爾大學吳瑞教授，對此方法做出了重要貢獻。但是當時這項方法的效率和速度都比較低，只能用來測DNA片段、某個基因或者一些特別小的基因組。1977年，第一個完整的基因組，一種叫phi X 174的細菌病毒測序完成，只有5，386個堿基。為何這里的單位是“堿基”而不是前文的“堿基對”呢？因為這個病毒和很多病毒一樣，比較特殊，其基因組是單鏈的DNA。嚴格意義上，病毒也不是完整的生命，只能算是生命的“寄生蟲”。

進入1980年代，測序方法的不斷改進和自動化，使得基因組測序工作得于迅速推進。1995美國科學家克雷格·文特爾（Craig Venter）領導的小組發布了第一個完整的能夠獨立生存的生命、流感嗜血桿菌的基因組序列，共 1，830，137 堿基對（或1.8百萬堿基對），估計有1500個基因。流感嗜血桿菌是一種細菌，屬于原核生物。1996年，科學家公布了第一個真核生物、酵母的基因組序列，大約有6千多個基因。上文提到的大腸桿菌，其基因組測序是1997年完成的，大約有4千多個基因。那大家肯定會想到，人類的基因組呢？人類基因組測序計劃是在1990年啟動的，2000年第一份草圖完成，2004年正式完成，經歷了15年，一共發現大約有2萬多個的基因。如果我們把人類基因組的序列印刷成書的話，大約要262，000頁，或者175本厚書。其它與人比較相近的哺乳動物基因組測序也先后相續完成。有意思的是，人們發現大猩猩的基因組與人基因組96%相似。

3、有基因組測序，就必有基因組合成，必有人工生命

　

人類很早就知道通過化學的方法合成短片段的DNA。通過這些短片段DNA的組裝，科學家們開始探索化學合成基因組。很自然地，第一個合成的就是病毒基因組。2003年，同樣是美國科學家文特爾小組，利用化學方法合成了上文提到的phi X 174的細菌病毒基因組。2005年，科學家們重新設計合成了另外一個叫T7的細菌病毒基因組。2008年，文特爾小組化學合成了一種叫生殖道支原體（Mycoplasma genitalium）的細菌基因組，長度約0.58百萬堿基對，但是此時他們還沒能把這個合成基因組移植到受體細胞中并證明其有生命的功能。2010年，這個小組人工合成了相近的絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）基因組，共1.08 百萬堿基對，并移植到受體細胞中。一段時間后，該移植細胞完全由合成基因組控制。就這樣，他們創造了人類歷史上第一個真正意義的人工生命。當然，羅馬不是一天建成的。文特爾小組是用了10多年的時間，才走到這一步的。根據時間推算，這項工作大約起始于本世紀初，即人類基因組測序的草圖完成之時。

第一個人工生命 “辛西婭”

　　

文特爾小組將這個人工生命命名為”辛西婭”（synthia）。這個人工合基因組，絕對大部分序列與該絲狀支原體天然的基因組是一致的。但是該小組也加入了一些原先不存在的DNA序列（他們稱之為“水印”）。其中蘊含了一些名言，比如“去生活、去犯錯、去跌倒，去勝利、去從生命中重造生命”、“我無法建造的東西，我也不能理解”。后者出自加州理工學院的物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）。

此后，人們又相繼合成了其它細菌的人工生命。很自然，科學家們的下一個目標會是真核生物，顯然，酵母是最好的選擇。這項工作始于2005年，并逐步形成了一個中國科學家參與在內的國際“合成酵母計劃”。科學家們首先選擇了第3號染色體，這項工作主要由美國科學家杰夫·伯德（Jeff Bode）小組完成。天然的3號染色體原有316，667堿基對，他們對此進行了小心但是大量的工程設計或者說“重新編寫”，最終人工的3號染色體含有272，871堿基對，比天然的少了13.8%。該染色體被導入酵母細胞，取代了原來的3號染色體，得到了第一個人工的酵母細胞。這項工作發表在2014年的《科學》雜志上。

4、人工生命與合成人

　　

現在回到我們的題目：“人工生命離我們多遠？”，答案其實是人工生命早就在我們的身邊。這些合成生命，比如合成酵母，有重要的科學和經濟價值。比如，合成酵母有助于人類更深刻地理解一些基礎的生物學的問題；另一方面合成酵母有很多巧妙的工程設計，可以實現定向的人工進化，在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域有非常重要的應用潛力。

現在問題是，下一步會不會是合成人的基因組、合成人？這個工作其實已經開始。2016年，國際上相關科學家已經開會討論啟動這個項目，有些觀點已經發表在當年的《科學》雜志上。目前，一些基礎性技術性工作已經在不同的國家不同的實驗室開展。當然，從合成酵母的基因組到合成人的基因組，存在巨大的技術屏障。首先是規模上的難度，人的基因組是酵母的270多倍；其次是技術上的難度，比如染色體移植在酵母中比較容易實現，但是對于人體細胞，就非常困難。這些技術屏障，是否能夠在5-10年得到解決，我們拭目以待。

未來智能實驗室是人工智能學家與科學院相關機構聯合成立的人工智能，互聯網和腦科學交叉研究機構。由互聯網進化論作者，計算機博士劉鋒與中國科學院虛擬經濟與數據科學研究中心石勇、劉穎教授創建。

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總結

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