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DNA双螺旋:引领生物学革命60年

2013年05月23日

  60年前,两位意气风发的青年——弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森发表了著名的DNA双螺旋分子结构,这被看作无可非议的转折点。从那天开始,我们关于生命的观点永远地改变,现代生物学的时代到来了。

  “我们注意到,”他们在《自然》杂志上发表的简短论文中写道,“双螺旋直接表明了遗传物质的复制机制。”事实证明的确如此。克里克的妻子奥迪尔第一个画出了这个优雅的螺旋。如今,这个最著名的生物分子已成为人类文化的一部分:在电影中、艺术品中、甚至在洗发水广告中都有它的身影。现在人们知道,DNA是动态的曲折卷曲,不断移动和解旋,热火朝天地进行着诸多生物密码的编码解码工作。

  自1953年以来,随着人类对DNA的控制能力不断增加,生物学已经演变为一个世界性的行业。现在转基因技术和合成生物学已经兴起,它们的发展虽然带来了科学和商业上的收益,但也各自面临法律上的困境。目前我们正在进入后DNA时代。在过去的几年里,DNA本身性质已被改变,组成DNA的碱基发生变异,DNA的功能被重新改造进行非生物利用。

  DNA的结构及知识

  对DNA的操作,是由它本身的结构决定的。双螺旋阶梯的每一级都是由一对DNA碱基组成。DNA中的碱基分别由A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞嘧啶)、G(鸟嘌呤)这4个字母代表。A只能与T配对,而C只能与G配对。如果把阶梯一分为二,把原来配对的梯级分开,那么每一半阶梯都会含有补全另一半的全部信息。因此,你可以从一个DNA分子制造出两个独立的DNA分子。这个过程此刻就在你身体里进行着,构成身体的细胞以大概是每分钟3000个字母的速度分裂(细菌能以10倍于此的速度进行)。相同的过程在地球上的每个细胞中连续不断地进行。据我们所知,活细胞中的DNA都是一样的,联系达尔文的进化学说,我们能勾勒出生物的基本图形,了解生命在40亿年的过程中是如何进化的。

  DNA是一种代码,以基因的方式存储生物学信息。上世纪60年代,DNA密码被系统地破解,发现生物具有惊人的保守性。如果把DNA比作字母表,那么从中拼出的单词就是蛋白质的组成部分——氨基酸。虽然由DNA编码的氨基酸只有20种,但却足以组成所有的生命体。每个生物体内的字母、加密方法、拼出的单词都是一样的,从细菌到蓝鲸、向日葵、蘑菇、甚至你我,概莫能外。

  从生物技术革命到合成生物学

  正是这种统一性,催生了生物技术的工业革命,当然也给我们带来了今天的苦恼。上世纪70年代,在美国的加利福尼亚州,科学家发明了在物种之间转移DNA片段的方法,由此物种的特性可以被人精心设计。在上万年的育种和农业活动中,人类其实已经一直在这么做,但是各种“DNA编辑工具”的问世,使我们突然跨过了物种和性别的障碍。如今转基因技术已经成为生命科学几乎各个领域的中流砥柱,促进了生命奥秘的探索和疾病机制的研究。

  在本世纪,转基因技术之后出现的新领域是合成生物学。像电子学先驱们所做的那样,合成生物学是通过基因修补制造标准化的组件,使新技术开发更加容易。今年夏天,最大规模的合成生物学会议将在英国帝国理工学院召开,这个快速成熟的领域的创建者们将齐聚伦敦,用日益先进的工具创造日趋复杂的生物电路,以此解决一些世界性难题,如粮食、燃料及粮食生产。在理论上,生物电路很像电子学,就像晶体管似的具有结点和“门”。但这种电路实际上是DNA,经过精心设计组装,完成特定的逻辑功能。

  沃森最早倡导的人类基因组计划已于10年前完成,检测了人类基因组中的30亿对碱基。由此产生了很多疑问,比如科学家还不清楚基因组是如何工作的。而人类已经陷入DNA专利法律困境:按现行法律,个人的基因可以被其他人拥有。本周在美国高等法院审理的两个乳腺癌基因是关键司法案例,将在全球范围产生巨大影响。

  基因组学的先驱们改变了科学研究的方式。人类基因组计划的研究催生了一种新的大型科研方式——开放的大型国际联合实验室。最近几年,成百个实验室的上千名科学家测定了人类及其他物种的多个基因组;上周,古老的腔棘鱼基因组被测定公布。所有的基因组数据都是公开的,最大程度地为尽可能多的人利用。

  我们对DNA的操控已经到了登峰造极的地步,可以完全无视其本来所有的生物学功能,仅仅当作一种信息载体来操作。简单地说,DNA是存储信息的载体。它的稳定性令人难以置信:我们从已经死去很久的生命体中提取到DNA样本,包括猛犸象和尼安德特人,这具有重大意义。

  在上世纪90年代,人们就开始把DNA作为数据存储载体,但直到2010年,科学家克雷格·文特尔才把一些加密信息藏在一个他合成的细胞中,起名叫“辛西娅”。这一领域在今年1月有了突破,剑桥大学的遗传学家伊万·伯尼用DNA编码了一段莎士比亚十四行诗、一段马丁·路德·金的“我有一个梦想”演讲录音、以及克里克和沃森1953年的论文。而后把它们传送到一个德国实验室解码,得到的结果是零错误率。

  现在,这项技术仅仅用于存档,因为读写的速度都很慢,信息密度却比蓝光碟或硬盘还大。我们会不停地研究DNA,因此它的读写速度将会提高。还记得录像带和激光光碟吗?DNA这种介质可以稳定地存储数据达40亿年。

  我们正进入黄金时代

  虽然目前DNA编码和复制的机制是一成不变的,但DNA分子本身却不是这样。在过去几年中,我们已经看到生命语言令人吃惊地发展。最初字母表只有4个,现在已经提高到至少6个,Z、P是由包括佛罗里达州应用分子进化基金会史蒂夫·伯纳在内的科学家提出的。这些新字母目前本身没有任何意义:就好像我们在英文字母表里增加一些不能发音的字母。不过伯纳把它们纳入一个冻结了几十亿年的分子。去年,剑桥大学威克多·皮涅伊罗领导的小组重新组装了双螺旋阶梯的支架,使DNA的D碱基能接纳其他分子,创造了一类叫做“XNA”的物质。它们同样能复制、进化,而且拥有制药的潜力,因为它们不同于游离的DNA,身体不能识别它们,自然也就无法降解。

  自从60年前披露DNA优美的曲线结构以来,生物学的各个领域均在发生革命性的变化。这不可避免地带来了人们对科学家“扮演上帝”的指控。然而这确实是我们一直在做的:提取自然材料、重新设计、改造它们,以适应人类的需要和欲望,通常没有考虑到后果。所有对新领域的努力探索都伴随着争议,比如大型公司对转基因种子所有权的垄断行为,激起了很大怨愤。基因专利可能很快就有解决方案。

  某些人有一种发自内心的信仰,认为我们不应该从根本上篡改自然。然而,DNA技术将继续发展。让DNA技术蓬勃发展是我们的责任,而如何分享其果实则留给社会作出明智的决定。60年前的发现决定了生物学的工业革命,我们正在进入黄金时代。