如果要完全人工地合成一个生命，应该从哪儿下手？

2009年的科幻电影《第九区》，其实给出了一个思路。

替换。把你身体里的基因组全部替换掉。

这就等于说原来的你瓦解消失，而另一个拥有全新基因组的生命成为了当下的“你”。

在《第九区》中，男主角不慎感染了外星病毒。这种病毒一点一点地改写了男主的基因组成，最终把他变成了外星生物。

虽然影片最后一幕，已成怪物的男主仍深情地摆弄着他和妻子的定情之物。

但从科学而硬核的角度看，“他”实际上已经变成了“它”，这是一个全新的合成生命。

科幻的构思里蕴含着科学的道法。

近期，英国生物学家贾森•秦（Jason Chin）及其团队以“替换”的方式为基础，重新编写了整个大肠杆菌的基因组。

400万对碱基被换掉，一只原本不存在于地球上的大肠杆菌以前辈的湮灭为代价，被人为构建了出来。

说到这儿，大家可能有明白有不明白的：

科学家究竟替换了什么东西？除了替换，还需要哪些步骤来建构新生命？这样的人造生命有何价值与意义？

咱们先回顾下生物基因表达的老知识。

生物体基因表达主要就是两大步：转录和翻译。

前者是以DNA为模板合成RNA；后者则是RNA指导蛋白质的合成。

DNA和RNA均由一种叫核苷酸的化合物组合而成，核苷酸含有一个成分叫碱基。

DNA中只有A、G、C、T这4种碱基，RNA中只有A、G、C、U这4种碱基。

简化来看，DNA和RNA就是两串字符串。

比方，DNA分子链中的其中一段可以这样的：“……TCAAAG……”

另外，由DNA编码蛋白质，其中涉及密码子概念，密码子是指信使RNA分子(mRNA)中每相邻的三个核苷酸（为了方便表达，直接称DNA的密码子）。

DNA中的每个密码子都会对应一种氨基酸，例如“……TCAAAG……”中的TCA对应丝氨酸，AAG就对应赖氨酸。

那显然，DNA中最多可以有64种密码子（4种碱基，排列组合，最多可形成4^3=64），不过由于存在多种密码子对应一种氨基酸的情况，64种密码子仅编码20种氨基酸和1个终止密码。（这里面暴露出密码子冗余的问题。）

鉴于此，我们可以认为前面所讲述的生物学家采用“替换”的方式重编基因组，实际上就是用外部的不同密码子去替换生物DNA中的密码子。

在秦的研究中，他们通过三大步完成了大肠杆菌基因组的重编（如图A所示）：

图A：重编码基因组的设计和构建

a.  他们系统地用AGC替换了每一个对应丝氨酸的TCG，用AGT替换每一个TCA（也对应丝氨酸），用TAA替换了每一个TAG（终止密码子），共替换了18214个；

b.  完成密码子替换之后，他们蛋白质编码区域(ORFs)进行了重构，将其分离；

c.  他们将10万个替换得到的碱基碎片（密码子）在酵母中组装（每5个碎片整合成一个片段，通过接合法整合8个这样的片段）。

经历了这一波替换的大肠杆菌，虽然被置于了身份认同的尴尬处境，但却保持着生命的活力。

秦的编码方案使用了59个密码子合成了所有20种氨基酸，用了2个密码子终止合成（自然界中共有61种用于合成的密码子，3个终止密码子）。

他们也把这个人工合成的生命命名为Syn61。

合成的大肠杆菌——Syn61生活在培养皿上

这么做有什么实际意义？

大肠杆菌中原本用来编码丝氨酸的密码子TCG被替换成了AGC，AGC干了TCG的工作。

这样一来TCG就空了出来，而科学家们便可以赋予TCG一项新的功能：

将20种氨基酸之外的自然界中数百种氨基酸中的一种编码合成蛋白质。
有了重新编码的基因组，细胞可能能够合成新的酶和其他蛋白质。

伦敦帝国理工学院合成生物学专家汤姆•埃利斯(Tom Ellis)表示：“大自然给了我们所有这些酶，它们可以完成所有这些新任务，从制作奶酪到提取果汁，生产生物燃料和工业化学品，以及在医学测试中检测生物标志物，这仅仅来自20种氨基酸。想想看，如果有了更多的氨基酸，我们可以做更多超乎想象的事情。在医药、食品生产和工业领域，合成制造各种新化学品的潜力将是十分巨大的。”

参考文献：

张茜. Syn61：合成生物学的里程碑. 世界科学,2019,(7):4-5.

秦雪. 生命新诠释：重新编码细菌基因组. 世界科学,2019,(7):6-7.

Roland Pease. Artificial life form given 'synthetic DNA'. (2019-05-16)[2019-08-03]. https://www.bbc.com/news/science-environment-48297647.

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