博文
合成生命、偷天换日与新生物能源
精选
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上周到剑桥Cavendish Lab参加了生物物理“新的地平线”会议。会议邀请到了目前生物物理的诸多前沿研究者，从微观的单分子试验，单分子观测与成像， nanopore，到宏观的基因网络动力模型和心脏的整体数值模拟等，可以说是目前生物物理前沿研究的一个小型的巡礼。尤其值得注意的是，从来都是站在物理科研最前线的Cavendish Lab，建立了一个崭新的医学物理系，并对未来生物物理的发展，进行了展望。这次会议的精彩讲座将在以后的博文中陆续介绍。
Fig.1 New department of Physics of Medicine in Cavendish Lab
Fig. 2 Rube Goldberg Machine to sharp a pencil
Fig.1 New department of Physics of Medicine in Cavendish Lab
Cavendish Lab掌门人的卢瑟福曾经说过：“Science can either be physics, or stamp collecting.”(科学要不是物理，要不就是收集邮票)。言下之意，其他的科学门类只是收集事实，没有像物理学这样建立恢宏的理论模型。但是物理学发展到现在，人们逐渐意识到reductionism并不能解释我们周围的宇宙万物。凝聚态物理的大家P.W. Anderson, 在他的一篇重要论文“More is Different” (Science, 1972)中指出，凝聚态物理和生物物理都是 “extensive researches”. 他说: “we can see how the whole becomes not only more than but very different from the sum of its parts.“ 尤其是生命现象，不为简单的自然律所控制，其生命演进的历史，也对我们现在所观察的生物体，有着极为显著的影响。如果仅仅从现有的生物体出发去研究生命的本质规律，其难度不亚于去解释一个“Rube Goldberg machine”，见下图：
Fig. 2 Rube Goldberg Machine to sharp a pencil
如果生物体的功能会像图中的削铅笔那样需要A到Q那样繁复的程序，为什么不干脆用最后备用的铅笔刀呢？于是，有研究者试图用有机化学合成的方法，来建立最小和最经济的生命体。
合成生命
德国TU Dresden Bio-Center的Schwille就是这样一位研究者。她试图制造一个double layer的lipid的小球，然后放进去新陈代谢所需要的若干蛋白质大分子，代谢中间物等，观察其是否能完成生命的代谢功能。在下一步，再放进去脱氧核糖核酸，RNA Polymerizer, Ribosome等，看看他们是否能自组织成为可以自我复制的系统。当然，这样合成生命的实验会非常困难。比如，制造一个只有2-3微米double layer的lipid的小球，就已经不是一件很容易的事。他们目前的成果是，通过适当的混合两者蛋白质MinD、MinE和ATP，可以在玻璃皿上模拟细胞膜上的分子震荡现象，而这个现象对细胞从中间分裂尤为重要。分子震荡的图像和他们在Science发表上的文章的连接如下。
Fig. 3 Protein dynamic pattern from Schwille Lab
Fig. 3 Protein dynamic pattern from Schwille Lab
偷天换日与新生物能源
然而更让人吃惊的是Craig Venter小组，他们采用人工合成生物柴油DNA的方法，直接将新的DNA打上记号并植入细胞体中，在引入定向的DNA降解酶将原有的DNA除去，因而在瞬间完成了自然界中需要数百年方能进化形成的新功能。当然，因为生物柴油与基因没有一对一的简单对应关系，实现需要通过系统生物学的方法协调新增加的pathway和enzyme的关系，使之成为具有统一功能的整体。之所以需要设计新基因，是因为目前自然家存在的光合作用效率太低。如果我们能够将目前植物的光合作用的能量转化效率提高到10%，那么种植大规模种植甘蔗的经济效益将不亚于开采一座油田。Craig Venter小组声称，将在未来18个月内培养出第四代生物柴油的新菌种，让我们拭目以待吧。
Video: Craig Venter's speech in TED
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Video: Craig Venter's speech in TED
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https://blog.sciencenet.cn/blog-3468-52197.html
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