王大虎

王大虎: 第三节 “人造生命”的发展

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据科学家介绍,“人造生命”在本质上应该具备以下三个方面的基本要素:第一,必须有一种细胞膜来容纳细胞物质;第二,要能进行新陈代谢,即细胞结构内营养物质的补充及更新能力;第三,具有自己的基因。从事“人造生命”研究的科学家相信,将来有一天,人造的生命形式将有潜力解决很多问题,从治疗疾病到防止全球变暖等等,意义可谓非常重大。

对许多人来说,简称DNA的脱氧核糖核酸并不陌生,它是携带生命遗传密码的重要载体。但如今,即便如此重要的载体也能被人工合成的物质替代了。

 

图050 人工合成XNA可实现DNA功能(图片来源:微图网)

英国医学研究委员会分子生物学实验室等机构的研究人员在最新一期美国《科学》杂志上发表报告说,他们人工合成了一种名为XNA的物质,在许多关键功能上可替代DNA,这对研究生命起源乃至“人造生命”具有重大意义。

据研究人员介绍,XNA也能像DNA一样存储遗传信息。由于它所用的“链齿”,也就是碱基,和DNA中的一样,因此XNA链条和DNA链条之间还可互相结合,实现遗传信息的传递。在实验中,研究人员将一个DNA链条上的遗传信息传递到XNA上,随后再传回另一个DNA链条,遗传信息传递的准确度高达95%以上。此外,如果满足一些前提条件,部分XNA聚合物在试管中还能如DNA一样进化成不同形态。

报告的作者之一菲利普·霍利格说,上述实验结果说明XNA已拥有DNA的两个关键功能——遗传和进化。由于人造的XNA在分子构成上与DNA并不完全相同,这说明DNA不一定是携带生命遗传密码的唯一载体。因此有观点认为,地球上的生物之所以都采用了DNA来携带遗传信息,是因为地球生命起源之初,环境中相应种类的分子数量较丰富。而在宇宙中其他地方,也许存在遗传方式不相同的生命形式。

这项研究还被认为是在“人造生命”道路上迈出的重要一步,不过有专家认为,人类使用XNA来人工编制遗传信息并创造一种新生命,还有很长的路要走。

美国生物学家克雷格文特尔在实验室中制造出世界首个人造生命细胞。

克雷格文特尔将一种称为丝状支原体丝状亚种的微生物的DNA进行重塑,并将新的DNX段“粘”在一起,植入另一种细菌中。新的生命由此诞生,这种新生的微生物能够生长、繁殖,并产生一代又一代的人造生命。植入的DNX段包含约850个基因,而人类的DNA图谱上共有约20000个基因。这个人造生命被戏称为“人造儿”(synthia),它是人类科学史上一个革命性的成果。

 

图051 人造生命“人造儿”菌落图(图片及参考资料来源:《世界首个人造生命能自己生长繁殖》新华社,2010年5月21日,图片来源美国生物学家克雷格文特尔)

新华社消息报道,日本研究人员用简单有机化合物合成人造细胞。研究人员先利用类似界面活性剂的分子、催化剂以及水制成双层膜,然后把混有从大肠杆菌提取的DNA(脱氧核糖核酸)和DNA合成酶的水注入双层膜,让膜包裹着含DNA的水,形成外观像细胞的直径1~10微米的球体。通过让球体内液体的温度升高至95℃再下降到65℃。在不断重复这种温度变化的过程中,加上酶的效用,DNA成功复制,经过20次反复,DNA增加至100多万倍。DNA增加后,再添加制作膜的有机化合物,部分DNA就附着到双层膜X,人造细胞开始X,约4分钟后如同天然细胞分裂一样从中间断裂,形成新细胞。在实验中一个人造细胞能分裂出8~10个细胞。据介绍,虽然在这次研究中使用来自于大肠杆菌的DNA,不过即使使用人工合成的DNA,人造细胞也能实现同样的增殖。

 

图052 英科学家利用金属制造细胞气泡具有生命特征(图片及参考资料来源:《英科学家利用金属制造细胞气泡具有生命特征》新浪科技,2011年9月16日,图片来源格拉斯哥大学的李·克罗宁)

英国科学家用含有金属的巨型分子,成功地制造出了类似于细胞的气泡,并赋予它们一些类似生命的特征。研究人员希望诱使这些气泡演变成完全无机的能自我复制的实体。

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格拉斯哥大学的李·克罗宁通过将由钨(占大多数)和其他金属原子、氧、磷结合形成的多金属氧酸盐简单地在溶液中混合,让其自我组装成了像细胞一样的球体,把得到的气泡称为无机化学细胞。通过修改其金属氧化物骨架,让其拥有一些天然细胞膜的特征,让不同大小的化学物质有选择性的进出细胞膜,以此控制细胞内可发生何种化学反应(这是特定细胞的一个关键特征)。在气泡内创建出了模拟生物细胞内部结构的分隔。他们朝气泡填充物质,通过让一些氧化物分子与感光染料结合来进行光合作用。早期的研究结果表明,他能制造出一个膜,其受到光照时,可将水分解成氢离子、电子和氧,这是光合作用的第一步。克罗宁表示:“也有迹象表明,我们可以激发质子穿过该细胞膜以建立一个质子梯度,这是利用太阳能的另一个关键阶段。如果能将所有步骤有效地整合在一起,我们就能创造出一种带有类似植物代谢成分的自供电细胞。”

科学家利用3D打印机制造出“微型肝脏”:2013年4月,美国加州Organovo公司采用3D打印机逐层打印了大约20层活细胞,制造出微型肝脏器官,深度仅0.5毫米,宽度4毫米,但它却具有真实肝脏器官的多项主要功能,包括产生运输激素的蛋白质,将盐和药物送递至全身。伴随着细胞从血管抵达肝脏器官,送递营养物质和氧气,能保持5天的生命力。目前,这种微型肝脏可以生成固醇和细胞色素P450s,后者能在肝脏器官中新陈代谢药物,是一种具有解毒作用的酶。

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2013年2月由麻省理工学与以色列合资的一家制造商公布了一项“4D打印”新技术,它使用水来激活并且为一连串自动折叠成为设计形状的材料提供能量。这个概念就是创造出一种能够在被打印出来之后发生改变的物体,而且它们能够进行自我调整。打印不再是创造过程的终结,而仅仅是一条路径。发布者Tibbits在一场采访中说道:“我们想要说的就是,你设计出产品并且打印出来,而它能够进化。它就像在材料中植入了智慧。”

麻省理工学院(MIT)和宾夕法尼亚大学的研究人员使用20毫秒的激光脉冲对经过转基因技术可表达光活化蛋白的骨骼肌细胞进行照射X,激光脉冲可导致肌肉出现独特的收缩,这样科学家就能在激光脉冲的控制下精心设计出复杂的组合运动。该技术的应用使得我们开启了新一波使用有机材料打造“生物融合体”机器人的研究热潮。

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《自然·生物技术》杂志消息报道,美国研究人员利用硅树脂和老鼠心肌细胞制造出了“人造水母”,它在电流的X下能够在水中像水母那样游动。

美国哈佛大学和加州理工学院的研究人员报告说,这个“人造水母”的外形像一朵八瓣花,八个“花瓣”都是由硅树脂制成,在它的中心是附着在薄膜上的老鼠心肌细胞。把它放入水中,每次通上电流,心肌细胞就会收缩,并带动八个“花瓣”向中间收缩运动,在电流消失后,硅树脂的X会使得它恢复原状。整个过程和自然界中水母的运动方式非常相似。研究人员说,接下来将尝试为“人造水母”增加一个“大脑”,使得它能够控制划水的角度和方向,更加接近真实的水母。

这项研究可能会引发新的关于“人造生命”的讨论。过去的一些“人造生命”走的是人工合成类似DNA物质的路子,而本次研究直接模拟出了一种生物,这样使用生物的细胞来制成“新生物”,可能会引发各种不同观点的争论。

 

 

总结:多分子聚合下的生命演化

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