人造生命体，人类能创造生命吗？

伤我心太深

　　“人造生命体”的三个要素

　　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，意义非常重大。

　　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。




　　人工合成XNA可实现DNA功能图片来源：微图网。

　　2012年4月，英国医学研究委员会下的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。DNA拥有双螺旋结构，由两条反向平行的多核甘酸链相互缠绕形成。


　　打个简单的比方，这就像衣服上的拉链，由两个链条组成，每个链条上有用于相互咬合的链齿和承载链齿的布条。在DNA的链条中，链齿是一些碱基，而承载它们的支架由糖类和磷酸分子组成。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。


　　美国科学家通过扩展大肠杆菌的遗传代码，成功地修改了大肠杆菌的蛋白质制造机制，科学家们可借此合成能模拟自然状态或疾病状态的蛋白质形式，耶鲁大学研究团队在分子生物物理学和生物化学教授迪特·索舍尔的领导下，找到了一种可影响蛋白质行为的新方法。蛋白质几乎能执行生命的所有功能。研究团队通过诱导磷酸化过程(出现于所有生命形式中的一个基本过程)明显改变了蛋白质的功能。蛋白质磷酸化的指导规则并没有直接编入DNA中，而是出现在蛋白质制造出来之后，因此他们扩展了大肠杆菌的遗传代码，将磷酸丝氨酸涵盖进DNA中，修改了这些规则，从而首次通过DNA引导了蛋白质的磷酸化过程。


　　美国生物学家克雷格文特尔在实验室中制造出世界上首个人造生命细胞。


　　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DNA片段“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DNA片段约包含850个基因，而人类的DNA图谱上共有约20 000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。


　　2011年9月，新华社消息，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至10微米的球体。通过让球体内液体的温度升高至95摄氏度再下降到65摄氏度，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就附着到双层膜内壁，人造细胞开始膨胀，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到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。


　　2011年9月，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。


　　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，让大小不同的化学物质有选择性的进出细胞膜，以此控制细胞内发生何种化学反应(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。”


　　克罗宁早在去年就已证明，可让多金属氧酸盐彼此互为基质来实现自我复制。他现在正大规模地制造气泡，并将其注入装满了酸碱度不同的物质的试管和烧瓶阵列中。他希望这种混合环境只使最适合的气泡生存。他表示，从长远来看，真正的考验是细胞能否修改自己的化学性质从而适应不同的环境。克罗宁暗示，他的最新研究能证明这一点，他们最新展示的就是第一个可以进化的气泡。





　　【261】英科学家利用金属制造细胞气泡具有生命特征图片来源：格拉斯哥大学的李·克罗宁。


　　克罗宁的气泡永远不会成为像生命一样的物质，除非它们能携带类似DNA(脱氧核糖核酸)的物质以实现自我复制和进化。这说明很可能存在着一些并不基于碳的外星生命，比如水星上的物质就和地球上的物质大相径庭，可能存在由无机成分形成的生物。尽管克罗宁暂时还无法证明这一点，但他指出了一个新方向。
　　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，能保持五天的生命力。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。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。”
　　根据《自然·生物技术》杂志消息，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”，它在电流的刺激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，硅树脂的弹性会使得它恢复原状。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。美实验室意外合成二维有机准晶体：据国外媒体报道：美国圣母大学的物理化学家亚历克斯·坎德尔(Alex Kandel)所在的实验室意外发现了一种有机分子形成的二维准晶体，并将这项发现发表在期刊《自然》上。坎德尔的研究小组当时实际是希望研究电子是如何在二茂铁甲酸里分布的，后者也是准晶体形成的原始分子。
　　这是一种由自我装配的有机分子形成的二维准晶体。这种奇特的准晶体是扁平的，由单层的五边环分子组成。这个分子组奇特的装配方式导致这一层里的其它分子形成了各种各样的形状，包括五角形、星形、船形和菱形。如果这是一个规则的古老晶体，那么这些群体和形状会在每一层里以可预测的方式反复出现。但是，在准晶体里，同一层里反复出现相同的形状，但似
乎不是以有组织的形式出现。准晶体的结构是部分晶体部分紊乱的，是介于重复对称单元的结构和完全无序的建构单元结构之间。




　　【262】二维有机准晶体图片来源：格美国圣母大学，亚历克斯·坎德尔Alex Kandel.


　　亚历克斯·坎德尔等人表示，导致这些准晶体与其他晶体区别开来的关键是它的有机材料和自我装配的部件。“它与其它晶体有着显著的不同”，之前知道的准晶体大多数都是金属的，并且通过强大的离子键，而非微弱的氢键紧密联系在一起，氢键常见于复杂的有机分子，例如DNA里。有关自我装配的意思，不少科学家们也表示异议。维德拉认为这个术语可以应用于所有的准晶体结构，而不仅限于新发现的这个。坎德尔辩论称由强大的化学键组成的结构——正如其它准晶体一样——其实并非是自我装配的。这些强大的化学键“压倒了”单个建造单元互相结合的力量，使得材料别无选择只能形成组织。而在这种新的准晶体里，这些建造单元是由微弱的氢键结合在一起的。“自我装配非常有趣，因为驱动组织形成的力量远比单个结构形成的力要更微弱。”坎德尔说道。


　　美新发现自旋纳米粒子会自我组装成“活着的晶体”：2014年2月据中国科技网，每日科学网报道，美国密歇根大学化学工程、材料科学和工程教授莎朗·格洛特兹领导的研究团队在解决纳米粒子自我组装时发现，只是让纳米粒子自旋就会诱导它们组成科学家们所谓的“活着的旋转晶体”，这种晶体或许可以用作纳米泵，在设备内运输物质;也能顺带解释生命的起源。科学家们之所以称这种晶体为“活着的”，是因为从某种程度上来说，它们自己就采用一种非常简单的规则呈现出了生命的形式。包括格洛特兹在内的科学家一直在探索纳米粒子像生命刚开始，是如何从无序状态，自然演变成有序状态的。而格洛特兹团队解决这一组装挑战的方式是，持续不断地添加拥有能量的组件，用这种方式来处理纳米粒子。


　　结果，研究人员最近发现，如果粒子从基本运动(比如朝一个方向移动)就开始获得能量，那么，它们会相互影响，形成群体，而格洛特兹团队发现，旋转的粒子会自我组装。该研究团队认为，尽管计算机模拟是二维的，旋转的粒子也能变成“活的”三维晶体，因此，或可用于解释生命的起源。