生命的未來（精裝）

前 言 我的“薛定諤演講”
引 言 合成生命時(shí)代向我們走來 /001
薛定諤認(rèn)為,生命現(xiàn)象一定能通過物理學(xué)和化學(xué)來解 釋,染色體一定包含了“很多種能夠決定個(gè)體未來發(fā) 展的完整模式的密碼本”。1953 年,沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu),這標(biāo)志著人類邁出了重要一步; 2010 年,文特爾利用合成 DNA 創(chuàng)造了第一個(gè)“人造細(xì) 胞”,這預(yù)示著合成生命時(shí)代向我們走來。
第一部分 生命是什么
01 “合成生命”是可能的嗎? /013
德國化學(xué)家維勒通過化學(xué)方法合成尿素,雖然并未對 “活力論”造成實(shí)質(zhì)性影響,卻吹響了反擊的號(hào)角。我們唯一需要做的就是用化學(xué)物質(zhì)創(chuàng)造出一個(gè)人造生命。 當(dāng)我們創(chuàng)造第一個(gè)合成細(xì)胞時(shí),我們在某種意義上“扮 演了上帝的角色”。
合成尿素,一個(gè)對神秘生命力說“不”的故事
形形色色的“活力論”
馮·諾依曼的“細(xì)胞自動(dòng)機(jī)”
合成生命時(shí)代的到來

02 數(shù)字生命的曙光 /037
我們原以為,DNA 過于簡單,不可能攜帶遺傳信息, 只有蛋白質(zhì)才能在細(xì)胞分裂時(shí)將足夠多的信息從一個(gè) 細(xì)胞傳遞給另一個(gè)細(xì)胞。但實(shí)際上,正是 DNA 這個(gè)生 命的軟件,管理著我們的細(xì)胞。限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn) 和基因拼接技術(shù)的出現(xiàn),為分子生物學(xué)的蓬勃發(fā)展奠 定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
遺傳物質(zhì):蛋白質(zhì),還是 DNA ?
分子生物學(xué)的興起
蛋白質(zhì):生命的硬件
布朗運(yùn)動(dòng):生命的驅(qū)動(dòng)力

第二部分 生命的合成
03 解碼生命,從基因測序開始 /067
噬菌體phiX 174 的基因測序最初是用“桑格測序法”完成的。不過,桑格測序法速度慢,測序難度大。20 世 紀(jì) 90 年代,文特爾利用獨(dú)創(chuàng)的“全基因組霰彈測序法” 快速完成了流感嗜血桿菌和生殖支原體的基因組測序。此時(shí),一個(gè)更大的難題擺在人們面前:怎樣合成一個(gè) 完整的基因組?
桑格測序法
全基因組霰彈測序法
最小基因集
新挑戰(zhàn):完整基因組的合成

04 噬菌體phi X174的合成 /087
20 世紀(jì) 60 年代,阿瑟·科恩伯格利用 DNA 聚合酶在實(shí)驗(yàn)室成功復(fù)制了 phi X174 噬菌體的基因組并成功激 活。那時(shí),基因測序技術(shù)還未出現(xiàn)。phi X174 也成了文 特爾第一個(gè) DNA 合成的目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明,包含 5 384 個(gè)堿基對的 phi X174 合成 DNA,在進(jìn)入大腸桿菌后,能 夠感染、復(fù)制,并且殺死大腸桿菌的細(xì)胞。人工合成 病毒取得了成功!
科恩伯格,探索生命奧秘的先鋒
精度,合成基因組的關(guān)鍵
大功告成:第一個(gè)合成傳染性病毒 phi X174 誕生
倫理問題

05 第一個(gè)基因組的合成 /113
文特爾把第一個(gè)合成基因組的目標(biāo)瞄向了生殖支原體。這種生命體的基因組擁有 582 970 個(gè)堿基對,合成的 精確度要求是每 10 萬個(gè)堿基對中的錯(cuò)誤少于一個(gè)。完 整基因組的組裝是在酵母細(xì)胞中進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)證明, 有 17 個(gè)細(xì)胞包含了完整的生殖支原體基因組,甚至連 插入的水印“文特爾研究所”都清晰可見!
目標(biāo):合成 582 970 個(gè)堿基對
準(zhǔn)備高精度的 DNA 序列數(shù)據(jù)
合成基因組的組裝
重大突破:第一個(gè)合成支原體誕生

06 把一個(gè)物種轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)物種 /131
為了向“合成生命”再邁進(jìn)一步,文特爾決定將絲狀支原體的基因組向山羊支原體移植。對“藍(lán)色菌落”的測 序結(jié)果表明,所有的序列都只與移植到受體細(xì)胞的絲狀 支原體基因組相匹配,文特爾和他的團(tuán)隊(duì)成功地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)基因組的移植,完成了“不可能完成的任務(wù)”。
歷史上的細(xì)胞核移植
基因組移植:從絲狀支原體到山羊支原體
藍(lán)色菌落,移植成功的重要標(biāo)志
“不可能完成的任務(wù)”:改變物種!
07 第一個(gè)人造細(xì)胞的誕生 /149
若想創(chuàng)造出一個(gè)“合成生命”,必須解決兩大難題。一個(gè)難題 是宿主細(xì)胞中的限制性內(nèi)切酶會(huì)摧毀被移植的基因組;另一 個(gè)難題是生命對合成基因組的精度要求非常高?！凹谆焙?高精度“桑格測序法”,讓兩大難題迎刃而解。培養(yǎng)皿中的“藍(lán) 色菌落”宣告了第一個(gè)人造細(xì)胞的誕生!正是因?yàn)檫@一成果, 人們稱文特爾為“人造生命”之父。
無法繞過的兩個(gè)難題
甲基化,合成基因組移植的關(guān)鍵
生死之間:一個(gè)堿基對的對錯(cuò)
奇跡出現(xiàn):第一個(gè)有生命的合成細(xì)胞

第三部分 生命的未來
08 “合成生命”究竟意味著什么? /171
關(guān)于什么是“合成生命”,什么是“合成細(xì)胞”,文特爾給出 了他的定義:這些細(xì)胞是完全由人工合成的 DNA 染色體所控制的。由于合成基因組既需要使用一個(gè)已存在的基因組,還需要使用一個(gè)自然受體細(xì)胞,因此,“合成生命”不能算是“從 頭到尾”的真正合成。創(chuàng)造一個(gè)“通用受體細(xì)胞”,成為擺在科學(xué)家面前的一個(gè)新課題。
什么叫“合成生命”
有個(gè)“通用受體細(xì)胞”就好了
新探索:細(xì)胞間的合作

09 設(shè)計(jì)生命 /187
未來,在創(chuàng)造真實(shí)的細(xì)胞之前,我們可以先設(shè)計(jì)一個(gè) 虛擬細(xì)胞,用它來對我們的設(shè)想進(jìn)行檢驗(yàn)。國際基因工程機(jī)器設(shè)計(jì)大賽(iGEM)吸引了無數(shù)才華橫溢的年輕人參與 “操控生命的軟件”的實(shí)踐活動(dòng)。這些來自實(shí)踐的真知,提高了我們設(shè)計(jì)基因組的能力,進(jìn)一步加快了我們合成新生命的進(jìn)程。
生命的計(jì)算機(jī)建模
iGEM 大賽
安全與倫理

10 造福人類的“生命瞬間轉(zhuǎn)移” /213
文特爾正在完善一種技術(shù),它可以讓我們以電磁波的形式發(fā)送數(shù)字化的 DNA 密碼,然后在一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方 用一種獨(dú)特的方法來接收這些數(shù)字化的 DNA 密碼,從 而重新創(chuàng)造生命。從目前來看,“生命瞬間轉(zhuǎn)移”技術(shù) 的最新應(yīng)用,可能是流感大暴發(fā)時(shí)的疫苗分發(fā),或者用噬菌體療法對付“超級(jí)細(xì)菌”。
瞬間轉(zhuǎn)移,人類永恒的夢想
快速提供疫苗
快速提供噬菌體

結(jié)語 只需4.3分鐘傳回基因信息，我們就能重造火星人／237
假設(shè)火星上的生命與地球上的生命都是基于 DNA 的, 假設(shè)火星有生命或者曾經(jīng)有過生命,假設(shè)火星上有一 個(gè)基因測序設(shè)備,可以讀取任何有可能存在于那里的“火星人”的 DNA 序列,那么,只需要 4.3 分鐘把“火星人” 的基因序列發(fā)送回地球,我們就可以在地球上的實(shí)驗(yàn)室里重 造“火星人”!
譯者后記 /249
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