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科学家造出接近生命的人工细胞,能够生长、复制DNA并分裂,然后怎么办

美国明尼苏达大学合成生物学家凯特·阿达马拉及其团队今年7月公布了一种名为SpudCell的人工合成细胞。这种完全由非生命材料构建的细胞能够生长、复制自身DNA、分裂成两个细胞,并重新开始细胞周期。部分科学家认为,这是人类迄今最接近从零开始创造生命的一次尝试。

不过,SpudCell目前仍无法独立维持生命活动,科学界对研究成果及未来应用前景也存在分歧。

Kate Adamala

据《纽约时报》报道,阿达马拉与另外三名科学家7月共同成立了名为Biotic的非营利组织,希望推动SpudCell技术发展,最终创造出能够自主维持生命活动、便于科学家研究和改造的合成细胞,用于生产传统生物技术难以制造的药物、食品、燃料及其他产品。

9月,Biotic在美国宾夕法尼亚州费城科学史研究所举行首次会议,邀请科学家、生物伦理学者、生物安全专家,以及生物技术行业和政府代表讨论SpudCell的未来。会议被命名为Bloomsday,意在以象征生命繁盛的概念回应代表毁灭的Doomsday。

阿达马拉在会上表示,人工合成细胞最大的潜力,是科学家有机会建立一种能够全面理解和控制的生物系统。一旦实现这一目标,就可以进一步探索传统生物学难以实现的应用。

研究人员对SpudCell寄予厚望,一个重要原因是天然细胞过于复杂。

即使最简单的微生物,也含有数十个功能尚未完全弄清楚的基因。相比之下,SpudCell从最基本的材料开始构建,研究团队了解所使用的每一种组成成分,因此理论上更容易进行精确改造。

不过,部分科学家质疑现阶段的成果是否足以支持如此乐观的预期。

荷兰代尔夫特理工大学物理学家塞斯·德克尔认为,SpudCell目前展现的实际能力远不如外界印象中那么突出。虽然研究人员为这种细胞配置了36个基因,但实验中只有一个基因表现出活性,因此他认为这项研究还缺乏足够的说服力。

研究成果的学术认可程度也存在不确定性。

国际知名学术期刊《细胞》此前拒绝发表介绍SpudCell的论文。目前,这篇论文仅以预印本形式公开,尚未完成正式期刊发表程序。

阿达马拉在费城会议上表示,另一家学术期刊正在审查论文。

研究团队承认,要创造能够完全自主运作、并可以由其他实验室使用标准化材料制造的人工细胞,仍有许多关键障碍需要克服。

其中一个核心难题是核糖体。天然细胞依靠核糖体制造蛋白质,同时能够自行合成新的核糖体,维持细胞活动。

SpudCell却无法自行制造核糖体,研究人员必须从其他细胞中提取核糖体,再将它们提供给SpudCell使用。

随着蛋白质合成不断进行,这些核糖体会逐渐损耗,人工细胞因此无法长期独立运作。

日本理化学研究所的分子生物学家清水正在研究构成核糖体的数十种分子,希望找到让这些分子自行组装成新核糖体的方法。

其他研究团队则分别探索如何利用特定蛋白质提高SpudCell细胞分裂的准确性,以及如何让细胞DNA对光产生反应,从而利用不同颜色的光控制基因开启。

这些研究共同面临的困难,是人工细胞各个组成部分都有近乎无限的设计组合,科学家很难确定哪些方案最有效。

美国密苏里大学计算生物学家罗珊娜·齐亚正尝试利用计算机模拟缩小选择范围。她的团队此前已经建立了天然微生物的详细计算模型,能够追踪细胞内部不同分子在各个时刻的位置和运动。

目前,研究团队正在模拟单个SpudCell内部数百万个分子的活动,希望通过虚拟实验筛选出更有效的细胞结构,最终建立一套公开的标准化制造方法,让世界各地的实验室都能自行生产SpudCell。

科学家将这一愿景与20世纪70年代诞生的Unix操作系统相比较。Unix凭借开放、简单的设计,吸引全球计算机科学家共同开发和创新。SpudCell的支持者希望,它未来也能成为生物技术领域的基础平台,让研究人员在同一种简单的人工细胞上开发不同功能。

但人工细胞技术的发展也带来了伦理和生物安全方面的争议。

芝加哥大学生物伦理学家劳里·佐洛思在会议上提出一个根本性问题:科学家是否真的正在创造生命?

阿达马拉及研究团队此前多次强调,他们尚未真正创造出生命。不过,生命与非生命之间的界限究竟在哪里,本身也是科学界难以明确回答的问题。

佐洛思还将Biotic与人工智能公司OpenAI进行比较。她指出,OpenAI最初同样以非营利组织形式成立,目标是为人类利益发展安全的人工智能,但人工智能技术的发展如今却引发了严重的公众信任问题,甚至出现民众抗议建设数据中心的情况。

她借此提醒研究人员,人工细胞技术即使最初以公共利益为目标,也不代表未来一定能够获得公众信任,或者避免商业化和技术滥用带来的风险。

生物安全风险尤其受到关注。研究人员意识到,如果人工合成细胞未来获得更强的自主生存和复制能力,就必须防止它们逃离实验室,或者被用于制造生物武器。

阿达马拉团队计划在全面开放SpudCell技术之前,对细胞的DNA和蛋白质进行特殊设计,使细胞只能依靠自然环境中不存在的特定化学物质生存。

研究人员希望通过这种人为设置的生存依赖性,让人工细胞即使意外进入自然环境,也无法继续存活,从而从生物系统最基础的层面建立安全机制。

阿达马拉认为,与传统生物技术相比,从零开始设计合成细胞的一个重要优势,就是科学家可以在建立生物系统时直接加入安全限制,而不是等技术成熟后再设法控制风险。

不过,这些安全设计目前仍属于研发目标,尚不能证明人工细胞未来不会被滥用。

斯坦福大学合成生物学家、Biotic创始人之一德鲁·恩迪表示,这项研究面临的科学挑战和未来可能产生的影响都十分巨大,团队需要尽可能多的支持和好运,才能实现目标。

对于科学界而言,SpudCell既展示了从非生命材料构建复杂生物系统的可能性,也暴露出人类距离真正创造生命仍有多远。

目前,这种人工细胞即使在研究人员持续提供材料和精心照料的情况下,也只能勉强维持活动。要让它自主制造维持生命所需的组成部分、长期存活并稳定繁殖,仍需要解决一系列基础生物学难题。