写于 2018-10-19 06:19:09| a澳门永利娱乐官网| 专栏

科学家如何设计新的生命形式

在人类写书或做数学或创作音乐之前,我们制作皮革有证据表明,数十万年前,猎人 - 采集者穿着动物皮制成的衣服,而在2010年,在亚美尼亚挖掘的考古学家发现他们认为是世界的最古老的皮鞋,可以追溯到公元前3,500年(大约是一个女人的大小7)对于一个可悲地失去保护性皮毛的物种,能够在腌制和晒黑的帮助下将牛,羊或猪的皮肤变成衣服这是一个拯救生命的进步,就像人类在历史进程中所做的其他重要发现一样:小麦等粮食作物的发展,鸡肉等食用动物的驯化,甚至是最重要的发酵艺术在每种情况下,人类都采取了来自自然界的原始植物 - 植物,动物,微生物 - 以及使我们能够统治这个星球的独创性,将它变成了产品自然世界有其局限性,虽然晒黑的动物皮可以制作时尚的靴子,摩托车夹克和手提包 - 支持每年价值约2000亿美元的行业 - 但它仍然是动物皮肤如果你是数以亿计的素食主义者之一,这似乎是一个不可逾越的问题世界各地,甚至只是担心为数百亿只动物饲养衣物和食物所带来的环境影响的人却不是制造皮革皮革的动物皮肤 - 它是胶原蛋白,一种坚韧的纤维蛋白质,是一种主要的生物成分动物结缔组织,包括皮肤如果有一种方法可以单独制造胶原蛋白,有可能生产甚至是最专注的动物权利活动家都喜欢的皮革参观者在2001年8月15日看到人类基因组的数字表示在纽约美国自然历史博物馆Mario Tama / Getty这就是在巨大的布鲁克林区八楼发生的事情我在纽约海滨的码头,那里有Modern Meadow的实验室和办公室

这个60人的创业公司接受微小的微生物并编辑他们的DNA - 编码他们行为的遗传密码 - 所以他们将胶原蛋白作为代谢产品,就像酿造啤酒的酵母从谷物糖中制造酒精结果是一个微生物工厂,因为经过调整的细胞在大桶中繁殖,收获的胶原蛋白经过鞣制处理后 - 比标准鞣制更可持续,因为没有动物从微生物生长的胶原蛋白中去除毛发或脂肪 - 剩下的是一种与传统皮革在生物和化学上相似的材料,主要是因为没有动物在制作过程中受到伤害事实上,这种生物制造的皮革可能比动物皮革 - 现代Meadow的微生物可以比从出生时饲养牛或羊更快地产生胶原蛋白,该公司可以与品牌合作设计全新的材料来自细胞水平“它的生物学与工程学相结合”,现代草甸的联合创始人兼首席执行官Andras Forgacs说:“我们与大自然不同,我们可以设计它并将其设计为我们想要的任何东西“这是合成生物学的前景,这种技术有望改变我们养活自己的方式,为自己穿衣,为自己加油 - 甚至可能改变我们的自我,而科学家几十年来一直能够实践基本的基因工程 - 淘汰了基因或在物种之间移动 - 最近已经学会快速读取和测序基因,现在研究人员可以编辑基因组甚至编写完全原始的DNA这使科学家能够对驱动地球上所有生命的基本代码进行令人难以置信的控制,从最基本的细菌,好吧,我们“基因工程就像用绿灯泡取代红灯泡一样,”马萨诸塞州的生物工程师James Collins说

技术和合成生物学的早期开拓者之一“合成生物学正在引入新的电路,可以控制灯泡如何关闭和开启”Bolt Threads的工程师,一个从酵母微生物生产蜘蛛丝的初创公司Bolt Threads查看所有最好的照片这些幻灯片中的一周我们可以利用这种控制来利用自然来达到我们自己的目的,并以有助于解决我们最紧迫的可持续性挑战的方式这样做 可以设计细胞以在实验室中制作肉类,从而消除对环境密集且经常残忍的工厂农场的需求

细菌可以被操纵以分泌油,提供真正可再生的液体燃料来源酵母可以设计用于生产青蒿素,一种重要的抗疟疾药物它的天然形态必须由甜艾草植物的有限供应制成 - 这种情况已经完成了“这里的关键是找到一种方法来制造人类所需的一切而不会破坏我们的文明,”德鲁说

恩迪是斯坦福大学的合成生物学家,他帮助启动了“我们可以从生活在地球上过渡到与地球一起生活”的领域

合成时代的曙光不仅仅是科学家梦想家和布鲁克林创业公司2016年透明度市场研究报告预测合成生物学市场将从2012年的180亿美元增长到2019年的1340亿美元去年,合成生物学公司收入1美元来自投资者 - 包括Eric Sc​​hmidt,Peter Thiel和Marc Andreessen等科技巨头 - 从2014年开始增加一倍即使化石燃料世界的巨头也参与其中 - 埃克森美孚与合成基因组学有6亿美元的合约, 6月份该公司宣布在藻类工程菌株方面取得重大突破以生产用于可持续生物燃料的石油时,合作伙伴关系取得成果合成生物学的真正好处和后果将随着科学家们从实验室的模仿性质转变为重新设计想象一下,在存在爆炸物或微生物的情况下会改变颜色的植物,这种植物可以分泌出已经灭绝的花朵的香味

图片是一种对所有细菌和病毒免疫的细胞系,甚至是人类基因组的30亿个DNA碱基对,在实验室中完全合成所有这些项目都在不同阶段进行,最后一个目标 - 编写整个人类基因组 - 将成为科学,锅的一项划时代的成就从根本上打开人体重新设计的大门,让我们更健康,更聪明,更强大这是GP-write的目标之一,这是一个由一群合成生物学家于2016年推出的国际项目,他们希望通过未来十年的技术可以合成大型生物的基因组 - 包括人类“能够编写大型基因组意味着从自然选择和人工选择 - 从传统的植物和动物繁殖 - 转向有意识的设计,”着名研究科学家Andrew Hessel说道

在Autodesk设计公司和GP-write的创始人之一A机器在Modern Meadow Modern Meadow测试生物制造皮革材料样品的拉伸强度如果合成整个人类基因组的想法让你感到惊恐,那么你并不孤单 - 甚至一些合成生物学家,如斯坦福大学的恩迪,对这一概念持谨慎态度GP-write背后的研究人员已明确表示他们没有我注意用合成的DNA创造人造人;相反,他们的工作将局限于合成人体细胞,以便更好地理解人类基因组的工作方式 - 并且可能,如何使其更好地工作但是,任何设计生物遗传密码的尝试都会引起道德问题 - 首先超过安全,甚至更多,过度成功如果一个工程化的植物或动物逃到野外,对环境的影响很难预测,会发生什么

设计消除致命遗传疾病的人体细胞可能看起来很简单,但我们在哪里划清治疗和增强之间的界限

“我们正在开发能够改变人类生活的强大工具,”ETC集团技术监督机构的研究人员Jim Thomas说:“担心你可能拥有市场驱动的优生学”当然,那些道德问题假设合成生物学家将能够复制人类基因组 - 这远非某些科学家尚未完全合成更简单的单细胞生物如酵母的基因组,因此学习如何写作可能需要十年以上的时间人类基因组中的大约20,000个基因与从实验室到现实世界的所有技术一样,合成生物学需要在市场和规模上与传统产品竞争 在过去的几十年里,利用合成生物学工具生产先进生物燃料的创业公司耗资数亿美元,几乎徒劳无功地击败廉价汽油但无论是近期还是长期,背后的科学合成生物学 - 阅读和编写生活密码的能力 - 已经在我们身边了

它准备重新设计我们所知道的世界

看看你的窗户你看到的每一点生命物 - 树弯向太阳,微风吹过的麻雀,走过的人 - 运行着相同的遗传密码,DNA的核碱基:胞嘧啶(C),鸟嘌呤(G),腺嘌呤(A),胸腺嘧啶(T)这是生命的编程语言它的基础知识并没有太大变化,因为它是从地球的原始软泥中产生的,正如英语可以用来写“Baa,Baa Black Sheep”和Ulysses一样,所有组合中的DNA都可以写出基因组2毫米长的大肠杆菌terium和一条30米长的蓝鲸“人类中的DNA与地球上每个生物体中的DNA相同,”总部位于波士顿的合成生物学创业公司Ginkgo Bioworks的首席执行官Jason Kelly说道

“这是基础合成生物学的见解“DNA的语言可能是数十亿年前编写的,但我们学会了在最近几年阅读它

测序DNA - 确定C,G,A和T的精确顺序 - 仅在20世纪70年代,多年来它耗费精力和昂贵人类基因组计划背后的科学家花费了10多年和270亿美元来完成他们的使命:编码人类的基因的第一个完整序列草案但是感谢在公共 - 私人努力推动的技术进步的一部分,测序DNA的价格已经大幅下降 - 它现在花费大约1000美元来测序一个人的全基因组 - 即使速度成倍增加,也只是一天Coomassie凝胶显示co llagen表征这些样本让Modern Meadow的研究人员可以分析胶原蛋白,从而获得可能的皮革生产

现代草甸如果这听起来很熟悉,那么几十年前微芯片的成本和速度应该是同样的事情,正如英特尔联合创始人戈登摩尔所预测的那样在以他的名字命名的法律中,正如更快,更便宜的微芯片推动计算机革命从房间大小的时代到i​​Phone的曙光,廉价的DNA阅读 - 以及越来越多的写作 - 使合成革命成为可能生物学“不仅仅是你能做到这一点,而且成本在15到20年前开始下降很多,”生物经济资本总经理Rob Carlson说道,“改进甚至比摩尔定律更快”卡尔森应该知道卡尔森曲线,相当于摩尔定律的生物技术,以他的名字命名 - 尽管在该领域很多人,他并不关心这个名字(卡尔森首选) “有意识的生物学”,但生物学家反对 - 他们认为这个词听起来好像他们的工作之前并不是故意的)合成表示假的和人造的,模仿天然的合成面料如尼龙和聚酯 - 但这不是怎么回事大多数合成生物学家认为他们的工艺对于斯坦福大学的恩迪来说,他在十多年前在麻省理工学院帮助推动这项运动时,合成生物学是通过工程学的过程来理解细胞水平及以上的混乱生命过程“我们不知道该怎么做,所以我们尝试,并且一个人通过这样做来学习,“恩迪说,合成生物学家像一句咒语一样重复,来自伟大的理论物理学家理查德·费曼:”我不能创造,我不明白“费曼并没有完全说出这些话 - 这句话是在他去世时在物理学家的黑板上找到的

但对于合成生物学家来说,这意味着编辑的过程g和编写DNA工程生命 - 对于我们更好地理解DNA如何工作是必要的为此,科学家们已经致力于合成基因组 - 意味着编写和打印整个人工基因,而不是复制现有的DNA,如克隆生物,从最简单的开始,努力理解生命遗传书中的单词究竟是什么意思 最初的成功发生在2010年,当时帮助领导人类基因组计划的遗传学家克雷格·文特尔和他的同事创造了第一个合成细胞,编写了一种名为支原体mycides的小细菌的整个基因组,并将其插入另一个细胞中

细菌(他们昵称为细胞Synthia)这本身就是一项了不起的成就,但在2016年,Venter和他的团队走得更好,采用Synthia的基因组并有条不紊地将其分解,直到达到维持生命所需的最少基因数量为止剥夺生命的基础,研究人员可以发现每个基因实际上做了什么“目的是使事情变得简单,消除复杂性,这样你就可以开始工程学”,哈佛大学科学历史学家索菲亚罗斯特说

新书合成:如何生活蜘蛛生产比钢强的丝纤维,但极其轻量级的螺栓螺纹已经能够复制使用工程酵母螺栓螺纹进行大量处理事实证明,即使是世界上最简单的细菌基因组也比科学家们所怀疑的更复杂

在Venter的精简合成细胞中,473个基因的功能完全未知这几乎是未知的第三,它强调了科学家必须走多远才能真正宣称我们现在可以很容易地理解遗传密码 - 更不用说有效地合成更大更复杂的生物体的基因组它让人联想到另一个费曼的报价 - “知道某事物的名称与知道某事物之间的区别”实际上,科学家需要对大量遗传数据进行测序,合成和编程您通过DNA合成或通过CRISPR等基因编辑工具设计生物体,构建生物体 - 在实验室中测试它,并希望从实验中学习然后你再次,在一个名为design-bui的循环中再次尝试ld-learn-test例如,在Venter的合成细胞的情况下,科学家们会一次增加或减少一个基因,然后看看他们的生物体发生了什么

如果合成细菌死亡,这是一个相当好的迹象,有问题的基因很重要“那对我来说是工程生物学的核心,”另一位GP写作创始人Nancy Kelley说道

但是你只能学习设计,构建和测试的速度这就是为什么这就是为什么卡尔森的曲线是如此重要思考计算机编程,它在类似的周期中取得进步当汤姆奈特,杰森凯利在Ginkgo Bioworks的联合创始人之一,在20世纪60年代帮助建立麻省理工学院的互联网时,他正在冰箱上编程大型计算机,需要用户手动进入甲板打孔卡后它是缓慢和费力的 - 这是关于生物编程的速度直到最近“我们将花一整个下午做手工现场-directed mutagenesis,它可以让你在细菌的基因组中将单个A变为T,“凯利说”这就像在计算机上度过一个下午从零到一点的变化“由蜘蛛丝制成的织物作者:Bolt Threads蜘蛛丝的特性使其成为许多应用的前景,从防弹衣到伤口敷料Kevin Tiell / Bolt Threads今天,凯利指出,“Facebook的一个人可以在一个下午创造新产品”,仅仅因为计算机变得如此之快我们可能永远无法像计算机那样快速地编程生物学 - 部分原因是生物学由物质组成,无论多么微小,而计算机代码只是代码 - 但我们会越来越快“返回在2002年和2003年,过去花费4美元按一次信用DNA合成按钮一次,“Endy Now说,总部位于旧金山的DNA合成创业公司Twist Bioscience的首席执行官Emily Leproust说道,她的公司可以合成一个碱基对 - DNA螺旋的基本构建块 - 仅9美分在合成生物学的设计 - 构建 - 测试 - 学习循环中,Twist供应建筑材料实验室和公司向Twist发送特定基因的订单,该公司确实合成它们的工作,在硅上印刷微小的DNA分子周转时间只需几周,随着Twist和其他DNA合成公司变得更好,这将缩短 随着成本和时间的障碍下降,解放的是合成生物学家的想象力,他们能够快速尝试创意正如互联网的曙光导致了20世纪90年代的一系列科技创业公司 - 其中一些现在已经成熟全球经济的支柱,如亚马逊和谷歌 - 所以DNA写作技术的商业化催生了一个新的行业苹果创始人兼首席执行官史蒂夫乔布斯在癌症去世前不久告诉他的传记作者“我认为最大的创新21世纪将处于生物与技术的交叉点新的时代正在开始“许多公司和投资者都相信合成生物学可以彻底改变我们生活和经营的一些基本方式

包括微软在内的公司的技术专家认为DNA甚至可以在我们的硬盘驱动器中超过硅作为存储介质毕竟,遗传密码实际上只是保存和传输信息的一种手段 - 如何保存和传输信息生物是有效的DNA是一个令人难以置信的密集媒介 - 研究人员今年开发了一种方法,理论上能够将世界上所有数据存储在单个房间的DNA上 - 与现有的物理记录介质不同,它没有被制造的危险毕竟,过时的生物学已经写了数十亿年的DNA .Twist已经开始与微软合作完善DNA存储过程,并且在4月份,软件公司从Twist购买了1000万条DNA作为该协议的一部分“尽可能多Ginkgo Bioworks的Leproust Perfume样品说,上个世纪是关于塑料的,本世纪将是关于生物学的

该公司设计定制微生物,从酵母Ginkgo Bioworks生产各种口味和香味Ginkgo Bioworks,合成DNA的最大消费者在这个星球上,他们可以闻到未来的气息2008年由凯利和麻省理工学院开创性合成生物学项目Ginkgo的四位同事创立于2008年设计定制的生物有机体工程面包酵母 - 可以生产通常来自植物的香精和香料Ginkgo与法国香水公司Robertet合作,通过从真正的玫瑰中提取基因,将它们注入酵母然后设计微生物的生物合成途径产生玫瑰的气味 - 当从酵母中释放时,它显然闻起来很甜

对于一些不知道香水中的活性成分来自工程微生物的消费者来说,这可能会让人感到惊讶但它的价值注意到酵母本身不是香水的一部分,它生产的玫瑰油声称比任何化学替代品都更自然“我们说,如果不是进入玫瑰领域获得玫瑰精油怎么办

,你可以经营啤酒厂吗

“凯利说”而不是酿造啤酒,你酿造玫瑰油

我们使用我们的平台开发那些设计的酵母,并将其许可给我们的客户“合成生物学家不会满足于简单地复制现有的生活形式;他们想要设计新的东西,甚至让长期存在的生物恢复生机银杏正致力于从植物标本中保存的植物标本中提取DNA分子,合成已经灭绝的花香,如南大西洋的橄榄树丛1994年,海湾地区的创业公司Bolt Threads设计了可以分泌蜘蛛丝的酵母微生物,这种材料比钢强,但是极轻的Bolt已经使用蜘蛛丝线来制造领带,但超强材料可能在医药产品和军队方面具有前景(该公司也是DNA合成成本降低如此重要的一个很好的例子 - 它已经通过大约4,000种配方来正确设计能够制造的酵母蜘蛛丝)在实验室里,科罗拉多州立大学的生物学家June Medford正在与国防部(及其7900万美元的赠款)合作在炸弹存在的情况下变成白色的工程师工厂梅德福德想象工程化植物 - 可能需要数年时间 - 可用于机场安全线,也许可以代替数百万美元的波扫描仪“工厂已发展超过40亿年为了感知和回应他们的环境,“她说”我们确定了一种合成生物学组件,可以实现这一目标并将其插入自然基础设施中“基础设施是一个合适的术语现在,我们的产品主要通过矿物和石化产品提供动力,但合成生物学提供了具有内在可持续性的基础设施的可能性

随着农民的田地在每年春天可靠地展示,生物学可以通过煤炭或石油或铁根本就不是生物学也非常非常擅长它的作用,这是可持续的增长地球上的所有植物,恩迪说,利用90太瓦的能量,他注意到这是大约四倍半的能量人类目前使用的能量一个生物细胞可以进行复杂的操作,远远超出我们最聪明的人工智能的范围“生物学比英特尔更擅长制造小的精确物品,它比汽车公司制造更大的物质 - 所有这些都是可持续的凯利说,例如,一棵松树比雷克萨斯更加复杂,寿命更长

展望未来,合成生物学家认为它们可能能够程序单元几乎成长为任何东西“想象一下,你的iPhone是从工程设计中生长出来的,表壳由合成皮革制成,屏幕可以产生自己的光线,”SynBioBeta的创始人,即将出版的书的合着者John Cumbers说

你的生物策略是什么

Kit McDonnell在Ginkgo Bioworks与Robertet合作制作了一种培养成分的样品

该公司正致力于合成已经灭绝的花卉香水Ginkgo Bioworks我们将在收获领域的iPhone之前很长一段时间它的价格便宜且与DNA合成一样快,它需要更便宜,速度更快现在合成一个DNA碱基对可能花费不到一毛钱,但凯利指出,如果像Facebook这样的科技公司必须花费更多每当它在软件程序中改变一个位时就会有一分钱,没有任何剩余资金用于“我们仍处于这个技术的IBM时代”,他说DNA合成公司的DNA链长度有限他们可以一次生产 - 例如Twist的最大值,大约是3,200个碱基对

从透视角度来看,整个人类基因组长约30亿碱基对,这意味着研究人员需要采取这些将它们连接在一起 - 并非不可能,但几乎无缝“生物学的混乱,工程设计很难,”麻省理工学院的柯林斯说:“它比我们想象的要难得多”2016年5月10日,将近150合成生物学专家在哈佛医学院闭门会议,讨论启动可能是人类科学史上最雄心勃勃和最重要的任务之一该项目的初始名称HGP-write宣布了这一雄心壮志的范围:成功综合在接下来的10年之前整个人类基因组已经开始HGP-write受到了首次闭幕峰会的初步批评 - 尽管组织者声称保密是因为在会议上讨论了尚未发表的论文 - 而H后来被删除重点关注人类基因组的一些重点,更多地关注简单地加速DNA编写速度的概念,就像人类基因组计划一样加速DNA测序但毫无疑问,许多组织者都希望编写人类基因的使命将像阅读它们一样激动人心,“我们是人类,我们通过人性的视角来看待,”Autodesk的Hessel说道

合成生物学的下一个重大挑战“GP-write希望为该项目筹集1亿美元,尽管在最近的会议上,5月在纽约开放 - 这对公众开放 - 实际资金尚未实现,但有一个例外是哥伦比亚大学的Harris Wang和纽约大学的Jef Boeke从国防部获得了50万美元的资助,用于研究如何将人体细胞设计成自给自足的营养工厂

在它们进化的早期,动物细胞丧失了制造某些维生素和必需氨基酸,我们现在需要通过我们的饮食,但植物,真菌和细菌细胞仍然能够通过光合作用产生这些营养素s,通过借用这些基因途径,有可能设计出可以做同样事情的人类细胞 这对于降低开发实验室研究中使用的人类细胞系的成本具有直接的好处,因为科学家可能不需要用血清喂养自给自足的细胞但是它不需要阴谋理论家 - 或科幻作家 - 来五角大楼可能会如何使用不需要吃饭的士兵对于他而言,王想象了光养细胞帮助人类在长期太空旅行的严酷环境中生存的可能性 - 尽管他想明确表示他是并没有试图设计出完美的宇航员“我们可以根据进化需要很长时间才能开发或者可能永远不会发生的事物的类型来实现飞跃,”王说

围绕GP写的敏感性提醒人们,合成生物学从细菌进入人类领域,伴随的伦理问题只会增长如果我们能够合成人类基因组,那么在我们能够自我设计 - 或者我们的后代之前还需要多长时间

2015年,一群中国研究人员震惊了科学世界,当时他们成为第一个使用合成生物学工具CRISPR来编辑人类胚胎基因组的人,但就在今年,一个主要的联邦小组裁定类似的研究可以在道德上允许“引人注目”原因“但那些原因是什么

虽然很少有人可能反对使用合成生物学技术来消除遗传疾病或减少疾病,但我们在哪里划清医学和提高之间的界限

富人可能首先获得技术以“完善”他们自己和他们的孩子的可能性使得政治和经济不平等成为一个具体的生物学事实除了我们可能对自己做的事情之外,如果我们现在的许多产品将如何改变世界从野外采集,或在农场种植,而是在生物工厂设计

斯坦福大学的生物伦理学家汉克格里利说:“现在谈论新技术的最佳时机恰到好处

”现在是谈论它的时候了“Andras Forgacs,左,联合创始人兼首席执行官现代草甸丹尼尔马丁内斯/现代草甸因此,随着合成生物学的产品逐渐从实验室迁移到我们周围的世界如果围绕转基因食品的怀疑是任何教训,那么迁移将不会在没有战斗的情况下发生

2015年皮尤研究中心的一项民意调查显示,只有37%的普通公众认为转基因食品可以安全食用,而科学家的这一比例为88%

但是,虽然举证责任在合成生物学的支持者身上,但值得注意的是,尽管如此

这些解决方案值得商榷,我们这个星球所面临的存在的环境挑战 - 围绕着食物,燃料和气候 - 现在不是正确的,世界上大约40%的土地用于食物生产这使得任何其他物种的空间越来越少 - 尽管如此,九分之一的人仍然缺乏足够的食物然而,不知何故,我们需要在中期之前再喂养20亿人

世界可能需要达到零碳总量早在2050年就已经开始排放以应对危险的气候变化 - 但我们几乎没有开始阻止全球排放量的增加,更不用说让它们退缩了,而且仍有120亿人仍无法获得电力,可再生或不可再生

现状不会让我们到达我们需要的地方哈佛大学的乔治教堂是合成生物学的巨人之一,也是GP写作小组背后的力量他也是那种让生物伦理学家和环保主义者担心的大胆科学家,他计划复活已经灭绝的毛茸茸的猛犸象通过基因编辑和公开思考,通过让人们对疾病无懈可击,从根本上增强人类的可能性当斯蒂芬科尔伯特在2012年的科尔伯特报告中获得教会时,电视主持人科学家问道:“你认为你的工作最终将如何摧毁全人类

”他开玩笑 - 主要是教会想象的那种激进的生物学变化是否应该发生 - 或者永远都会发生 - 他是正确的注意到危险不止一种方式“我是对不加批判的预防原则的批评,”他说“存在无所事事或缓慢行动的风险”一个激进的时代可能需要激进的解决方案