【人造生命】合成基因組讓細菌醒來了

■ 美國科學家上週成功讓基因組在細菌裡「重開機」成功,人類離創造生命靠近了一步。

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J. Craig Venter玉照。他出生於美國鹽湖城,是一位生物學家同時也是企業家。他曾試圖將定序後的基因申請專利,但是敗訴。

編譯 ∣ 陳建銘 (VinTW.bbs@PTT.cc)

  十五年來,克萊格‧凡特(J. Craig Venter)都在追尋一個夢想:由藍圖建立一個基因組,進而創造出合成的生命。如今他和他的JCVI(以他命名的實驗室)實驗室團隊,在馬里蘭州洛克威爾以及加州聖地亞哥,宣佈已經實現了這個夢想。在上週的Science Express期刊中,他們介紹了製造細菌染色體的詳細步驟,並且將染色體成功的轉殖到細菌中取代了原本的DNA。透過合成的基因組,微生物細胞開始自我複製並且製造新的蛋白質。

  奧勒岡州波特蘭理德學院的哲學家兼人工生命科學期刊編輯貝朵(Mark Bedau)表示,這是「生物學和生物技術歷史上決定性的一刻」。約翰霍普金斯醫學院的酵母菌生物學家博克(Jef Boeke)則認為:「這為合成基因組技術領域開創了一個重要的里程碑。」

  凡特團隊所合成的基因組幾乎和天然細菌所具備的一樣。這項成就奠基於龐大的經費:估計約四千萬美金,以及許多人的努力,20位研究員努力了超過十年。但是,儘管這項實驗成功了,想要人工設計出可以製造石油或是具有醫藥用途的基因組,並且把這些基因組丟到細菌裡面「開機」卻還是一件不實際的事。北亞歷桑納大學的分子基因學家凱姆(Paul Keim)說:「在基因工程師可以混合、配對、以及完全設計生物的基因組之前,還有極大的挑戰等著我們。」

  上週公開的「合成」細菌起源於凡特和他在JCVI實驗室的同事克哈奇森(Clyde Hutchison III)以及史密斯(Hamilton Smith)的一項計畫:找出維持細菌生命的最短基因組,同時加入人工基因,讓細菌得以變成製造人類所需元素的工廠。1995年,由三人所領導的團隊成功的定序了一種叫做Mycoplasma genitalium的細菌染色體,染色體的總長度為六十萬,是已知非共生生物裡面最短的。這個微生物體內大約有500個基因,研究發現刪掉其中的100個基因並不會造成負面影響。

  但是要證明上述實驗提出的基因組是生存的最小所需,需要合成整條細菌的染色體,並且讓它可以在受體細胞內正常運作,這兩個步驟卻因為操縱整條染色體的技術並不存在而延宕了好幾年。在2007年,凡特、史密斯、哈奇森及其同事終於成功將一種細菌的染色體轉殖到另一種細菌上。2008年,他們合成出帶有特殊「浮水印」DNA的M. genitalium染色體,這些浮水印可以幫助區分人工和自然的染色體。

長得太慢

  但是把這兩個步驟合在一起卻陷入了僵局。部分原因是M. genitalium這個細菌長得實在太慢,導致一個實驗要花好幾個禮拜。所以研究團隊決定中途更換細菌,開始定序基因組長度為一百萬但是卻長的比較快的M. mycoides,並且開始合成它的染色體。去年,他們成功把M. mycoides的染色體取出來,修改過後轉殖回一種近親細菌M.capricolum裡面。所以下一步就是證明:整條合成的細菌DNA也可以如法炮製。

  研究人員從採購DNA序列作為建造他們的合成染色體的第一步。他們向一家公司買了超過一千條長度為1080的序列,這些序列包含了M. mycoides的全基因組。為了把這些序列結合起來,每條序列的尾巴80個鹼基都和下一段序列重疊。為了讓重組過的基因可以被辨識,研究人員在其中的四段DNA序列中藏入了編碼過的電子信箱,許多參與計畫人員的姓名,和幾句名言。

  透過酵母菌一步步的結合整條合成DNA,研究人員先成功連接了長度為一萬的序列,接著是十萬,最後是完整的基因組(一百萬)。然而,當他們開始把合成的基因組塞進M. capricolum細菌中時,什麼事都沒發生。接下來就跟程式設計師幫軟體除錯一樣,他們有系統地嘗試轉殖各種自然與人工DNA的組合。等到他們終於鎖定了合成DNA中僅僅一個字的錯誤時,已經過了三個月的時間。

組合成功

  經過好幾個月各種組合的轉殖失敗,研究團隊終於在上個月開始交好運。

  生物學家發現藍色的菌落在週末快速的於培養皿中成長(藍色表示這些細胞是新的人工基因組)。計畫負責人吉伯森(Daniel Gibson)馬上傳訊給凡特報喜。凡特說:「我拿了我的攝影機衝進去拍(培養皿)。」

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人造M. mycoides基因組在酵母中的組合。(Figure from Gibson, D. G., J. I. Glass, et al. 2010. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science, Published online May 20 2010. )

?  他們把此一菌落的DNA定序,確認這些細菌具有合成的DNA,並且確認這些細菌的確在製造M. mycoides的蛋白質,而不是M. capricolum的。這個菌落就像是一般的M. mycoides一樣成長。凡特說:「顯然我們把一種細胞變成了另外一種。」

  田納西州范德堡大學(Vanderbilt University)的分子生物學家安東尼‧佛斯特(Anthony Forster)表示:「這是個相當令人興奮的成就。」但是他和其他學者仍然強調這項研究並沒有製造出真正合成的生命,因為基因是被放在一個既存的細胞中。

  研究人員強調,由凡特團隊所開發的技術目前恐怕還無法吸引任何潛在的生物恐怖份子。

潛在倫理議題

  不過,加州柏克萊大學、研究合成生物學的人類學家拉比諾(Paul Rabinow)說:「這項實驗的確改變了道德上的想像。長遠看來,這技術將被大量用在合成人工基因。」麻省理工學院的社會科學家歐伊(Kenneth Oye)則表示:「目前,我們對未來可能帶來的利益和風險可說是一無所知。」

  歐伊補充說,隨著越來越多「人工」生命出現,主管機關應該盡速制定相關的規範。紐約州立大學石溪分校,在2002年帶領團隊成功製造出第一個合成病毒的威默(Eckard Wimmer)表示:「很不幸的是,(該技術)還是有被濫用的機會。」

  凡特表示JCVI已經申請了涵蓋該項成果的數個專利,這些專利最後將歸於為此計劃提供大部分經費的他的私人公司Synthetic Genomics所有。渥太華技術監督組織ETC Group認為這樣的舉動將導致合成生命的壟斷,但是其他人並不擔心。歐伊表示,基於目前的狀況,取得並持有這些專利,「Synthetic Genomics不至於成為合成生物學界的微軟」。

  「可以肯定的是,」博克說,「有趣的生物將會從凡特的實驗室中一個個冒出來。」

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譯者後記

  根據原文論文跟相關外電報導,距離「只利用基本化學物質材料,合成打造出一種細菌」還有一段距離,如果用遊戲主機來比喻:(當然不是很嚴謹的比喻,請生物專家們多多包涵)現在的基因工程大多像是改機,也就是主機板上面加一顆晶片或接線繞過一顆晶片,然後看看結果如何。

  而這個實驗辦到的是:某人買了所有PS3上面的晶片和空板後,把它合體塞到XBOX360的盒子裡面開機可以玩。但是最後成品的內部架構幾乎都和PS3一樣,盒子和電源等也是XBOX360的。

  這件事當然和自己從塑膠粒和晶圓作出完整的遊戲主機(亦即,從0創造生命),還有一點距離。就連隨意地在主機上加上自己想要的功能這個目標目前也還未達成。但是這個實驗依然是很重要的里程碑。

(譯者現為國立台灣海洋大學資訊工程學系博士候選人)

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延伸閱讀:FIRST SELF-REPLICATING SYNTHETIC BACTERIAL CELL(JCVI新聞稿)

責任編輯:MissZoe
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6 thoughts on “【人造生命】合成基因組讓細菌醒來了

  • 2010 年 05 月 26 日 at 17:39:32
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    國內的新聞列表---

    蘋果:首例人造細菌 可吸廢氣救地球(內有動新聞)http://tw.nextmedia.com/applenews/article/art_id/32531548/IssueID/20100522
    中央社:史無前例 人造細菌研發成功
    http://www.cna.com.tw/ShowNews/WebNews_Detail.aspx?Type=FirstNews&ID=201005210013
    中國時報:合成DNA 第1個人工生命誕生
    http://news.chinatimes.com/world/0,5246,50403601x112010052200183,00.html
    自由時報:合成細菌細胞 能自我複製
    http://www.libertytimes.com.tw/2010/new/may/22/today-t2.htm
    天下雜誌:夢想或夢魘?人造生命恐變人造魔鬼
    http://www.cw.com.tw/article/index.jsp?id=41012

    小結:
    國內媒體大多以人造細菌稱之,但事實上離人造生命還有一點距離。不過,新的細菌能自我複製、製造蛋白質已經很厲害了!(不知凡特先生是不是又打算申請專利...)

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  • 2010 年 05 月 28 日 at 08:51:00
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    重要的關鍵是他的「合成」手段為何,然後是合成的基因和自然基因差別為何,簡單說是和基因轉殖有何不同

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  • 2010 年 07 月 15 日 at 16:11:47
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    恩.......
    雖然一開始是用Xbox360的外部零件在運作,但經過一段時間之後零件就會更新成PS3喔。
    也就是說,後面繁殖出來的細菌,將找不到M. capricolum的蛋白,只看的到合成染色體表現出來的蛋白。

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  • 2010 年 09 月 27 日 at 23:07:03
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    或者是譬喻說,他們已經可以人工寫出和Xbox 360一樣的既有核心軟體,然後把這個軟體放入PS3中,它會取代掉原有PS3的核心軟體,把整台PS3改變成Xbox 360。

    其他科學家指出的是,目前並不是由各種材料直接打造出一台PS3或是全新的主機出來。

    Reply
  • 2010 年 09 月 27 日 at 23:21:25
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    不知是否正確:
    他們所做的並不是"基因轉殖",不是在現有染色體內植入另外的基因,而是完全由人工製造出基因,透過酵母菌合成完整的染色體,是整個從無到有的過程。

    然後是染色體 "殖入" 另一個現有的細菌,完全取代該細菌(而非增減)的染色體,進而把該細菌完全變成另一個物種。是活的,可以自我複製的另一種生物。

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  • 2011 年 12 月 06 日 at 21:37:34
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    這那是人造細胞?!他們只是換染色體而已,就好像在真核生物換細胞核一樣。後者已經有幾十年的歷史,包括桃麗羊。他們的技術突破是合成整個細菌染色體。從前能夠送到細胞裡的DNA都只有十萬個鹽基對長,現在他們可以送入六七倍長度的DNA。

    不管基因技術如何進步,現在沒有人能夠製造出細胞。轉殖技術,在怎麼樣,都要仰賴活細胞。這就好像軟體必須仰賴硬體。Vinter 團隊只是在PC,從Window XP換成Window 7。他們會做PC 嗎?

    誇言「人造細胞 」或「人造生命」都是在「膨風」,在騙老百姓啦。

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