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细胞外的生命现象(下)

已有 9771 次阅读 2016-1-4 23:01 |系统分类:科普集锦



“活力论”借尸还魂?


      古希腊的亚里士多德认为事物是形式和质料的统一,形式构成事物的本质,在事物的形成中起决定作用。而生物的形式是灵魂(entelecheia),它赋予有机体(organism)以行为完善性和合目的性。灵魂的性质决定有机体的机能和结构。植物只有一种司营养和繁殖的灵魂,动物另有一种司感觉的灵魂,人类除了这两种灵魂外,还有一种理性的灵魂。



亚里士多德(Aristotle公元前384~前322)


      活力论(vitalism)又名生机论或生命力论,把生命运动看作是凌驾于生命物质之上的力量引起的。认为生物体与非生物体的区别就在于生物体内有一种特殊的生命“活力”,它控制和规定着生物的全部生命活动和特性,而不受自然规律的支配。它主张有某种特殊的非物质的因素支配生物体的活动。

       在19世纪中至20世纪初还原论与活力论展开过长达1个世纪的大论战,还原论(reductionism,或机械论)认为生命的构成与非生命没有本质区别,而且生命的活动同样遵循着基本的物理和化学规律,活力论则相信,生命世界与非生命的无机世界存在着截然的界线,有着其特殊的活动规律。虽然都无法在争论中战胜对方,但对生物化学的建立和发展作出了重要贡献。达尔文的自然选择学说用自然的原因解释了生物的合目的性,给活力论以沉重打击,分子生物学的研究成果更是从DNA水平推翻了活力论。而还原论在生命科学领域则被认为追求一种不太切合实际的理想,最终也被细胞学说、进化论等所弱化。



笛卡尔认为动物可以被还原为机械装置(De homine, 1662)


       “细胞学说”,连同“进化论”与“基因学说”一同被当代生物学奉为“圣经”。 根据细胞学说,细胞被认为是一切生命活动的基本结构和功能单位,生物体的一切生命现象,如生长、发育、繁殖、遗传、分化、变异、代谢和应激等都被认为是细胞活动的体现。

       值得注意的是,如果将细胞学说中的“细胞”以“灵魂”或“活力”来置换,会发现高高在上的细胞学说只不过是“活力论”的翻版而已。现代生物学不断在证明一件事情,所有的生命物质可以在细胞之外合成,所有的生命现象可以在细胞外重现,生命创造并非是上帝的特权。



上帝按照自己的形象创造出亚当与夏娃安排在伊甸园里



细胞外的生命物质合成


       早先,人们已知的有机物都是直接或间接来自动植物体,因此,那时人们仅将从动植物体内得到的物质称为有机物。有机物对人类的生命、生活、生产有极重要的意义,地球上所有的生命体中都含有大量有机物。

        当时科学界被“活力论”主宰,认为无机物与有机物有根本性差异,无机物所以无法变成有机物,有机化合物只能由生物的细胞在一种特殊的力量——生命力(life-force,vital spark)的作用下产生,人工合成是不可能的。



尿素合成:破除有机物与无机物的界限


哺乳动物、两栖动物和一些鱼的尿中含有机物尿素,1828年,德国化学家维勒(Friedrich Wohler)首次用无机物氰酸铵合成了有机物——尿素,有机物和无机物之间的界线随之消失。




人类首次用无机物合成出来的有机物尿素

尿素的合成可说是石破天惊,它打破了多年来占据有机化学领域的生命力学说,引起了化学界的一次震动。不少人为之欢呼,纷纷祝贺。对此项发现,恩格斯曾评价,维勒合成尿素,扫除了所谓有机物的神秘性的残余。当然维勒的发现同时也遭到了许多人的反对。他的老师贝采利乌斯(Berzelius)最初听到这个消息时,幽默地讽刺说“能不能在实验室造出一个孩子来”。人工合成尿素就像是导火索,引爆了有机合成的“大炸弹”,不久,乙酸、酒石酸等有机物,像雨后春笋一般相继被合成出来,开创了有机合成的新时代。柯尔柏(H . Kolbe)在1844年合成了醋酸(CH3COOH)[2],柏赛罗(M . Berthelot)在1854年合成了油脂等, 目前人类已知的有机物达 8000 多万种,数量远远超过无机物。


氨基酸合成:从“原始汤”里制造生命“积木”

      氨基酸被认为是建造生命的物质基础——蛋白质分子的“积木” ,是地球经过几十亿年才孕育出来有机分子。



米勒模拟原始地球合成氨基酸的装置


     1953年Miller通过放电用氨、甲烷、氢和水蒸气合成了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等重要的氨基酸,米勒把小小的容器变成浓缩了的原始地球,重演了几十亿年前发生的惊天动地的奇迹,展示了原始地球合成有机物的生动图景。人工合成氨基酸的成功,震动了整个生物学界。在探索生命起源的征途上,人类又迈出了重要的一大步。



牛胰岛素合成:破解生命现象的物质基础


        蛋白质是生命的物质基础,没有蛋白质就没有生命。而过去世界普遍认为生命体是天然的,大都认为蛋白质人工合成是不可能的。胰岛素是人体内唯一能降低血糖的激素,也是唯一能同时促进糖原、脂肪、蛋白质合成的激素。而牛的胰岛素,则是当时人类唯一完成一级结构测序的生物体蛋白质。它由51个氨基酸组成,分子量虽小,但分子呈立体结构,还有3对双硫键,构型十分复杂,在蛋白质的结构与功能研究中占有特殊地位。



中国科学家人工合成生命活性物质结晶牛胰岛素


       1965年9月17日,中国科学院生物化学研究所等单位,经过六年多的艰苦工作,在世界上第一次用人工方法合成了一种具有生物活力的蛋白质——结晶牛胰岛素。将这一重要科学研究成果首先以简报形式发表在1965年11月的《中国科学》杂志上,1966年4月,全文发表。 蛋白质研究一直被喻为破解生命之谜的关节点,胰岛素是蛋白质的一种。它的人工合成成功,标志着人类在揭开生命奥秘的道路上又迈出了一大步。


核酸合成:破解生物合成的物质基础


        核酸是由许多核苷酸聚合成的生物大分子化合物,为生命的最基本物质之一。核酸广泛存在于所有动植物细胞、微生物体内,DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础,RNA在蛋白质合成过程中起着重要作用。



中国科学家首次合成具有生物活性的核酸大分子酵母丙氨酸tRNA


      1979年,H. G. Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因;中国科学家自1965年开始开展人工合成tRNA的研究工作,由中科院上海生物化学所、细胞生物学所、有机化学所、生物物理所和北京大学、上海试剂二厂等单位联合攻关,于1981年在世界上首次人工合成了76核苷酸的整分子酵母丙氨酸tRNA。


基因组合成:破解生命的蓝图


         基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称,是具有遗传效应的DNA分子片段。基因组是生命最基本的信息载体,在由成千上万的碱基构成的核酸链上,记载了生命活动需要的所有遗传信息。



髓灰质炎病毒基因组


2002年,美国纽约州立大学石溪分校的E. Wimmer小组用3年时间合成出了脊髓灰质炎病毒的全基因组,约7.7Kb。经过实验证明,这些人工合成的病毒基因组不仅可以合成出与天然病毒蛋白完全相同的蛋白质,而且通用具有侵染宿主细胞的活力;

2003年,J. Craig Venter的研究小组用了14天时间从头合成了噬菌体φX174的基因组,长度约5Kb;

2005年,美国研究人员人工合成了1918年造成世界上千万人死亡的“西班牙流感病毒”;

2008年,J. Craig Venter小组又化学合成了生殖道支原体(Mycoplasma genitalium)的基因组,长度约580Kb;






细胞外的新陈代谢


       新陈代谢指生物体与外界环境之间的物质和能量交换以及生物体内物质和能量的转变过程,新陈代谢被认为是细胞生长、复制、分化、遗传、变异和应激的特有现象,现代生物学不断揭示出所有这些生命现象均可以在细胞外发生。



无细胞发酵:蛋白质活动无需依赖细胞


       发酵指微生物分解有机物质的过程,它可以在有氧条件下进行,也可以在无氧条件下进行,但没有细胞即没有微生物这个主体发酵被认为是不能进行的。



毕希纳(Eduard Biichner)


        1897年德国化学家Biichner兄弟证明无细胞酵母提取液仍然能使蔗糖发酵为酒精,告诉我们这种发酵因子虽然由活细胞所产生,但是在离开细胞后仍起作用。


无细胞核酸合成:DNA复制无需依赖细胞


       DNA复制是指DNA双链在细胞分裂以前进行的复制过程,复制的结果是一条双链变成两条一样的双链,每条双链都与原来的双链一样。



体外PCR DNA扩增技术


       聚合酶链式反应(PCR一种生物体外的特殊DNA复制,是利用DNA在体外摄氏95度时解旋,55度时引物与单链按碱基互补配对的原则结合,再调温度至72度左右,DNA聚合酶沿着磷酸到五碳糖(5'-3')的方向合成互补链。由PCR技术制造的PCR仪实际就是一个温控设备,能在95℃,55℃,72℃之间很好地进行控制。



无细胞转录:RNA转录无需依赖细胞


        转录是遗传信息由DNA转换到RNA的过程,作为蛋白质生物合成的第一步,转录是mRNA以及非编码RNA(tRNA、rRNA等)的合成步骤。



体外可进行RNA转录


       来自哺乳动物或果蝇的组织培养细胞的提取物RNA 聚合酶Ⅱ可实现无细胞转录体系。



无细胞翻译:蛋白质翻译无需依赖细胞


       蛋白质的翻译就是把核酸中由A,G,C,T/U四种符号组成的遗传信息,破读为蛋白质分子中的20种氨基酸排列顺序。mRNA是指导翻译的直接模板,tRNA为氨基酸转运载体,核蛋白体为蛋白质合成的装配场所。



蛋白质翻译过程


       利用无细胞提取物提供所需要的核糖体、ATP、转移核糖核酸、酶类、氨基酸、能量供应系统及无机离子等,在非细胞环境中以外加的信使核糖核酸(mRNA)可指导蛋白质的合成。常用的无细胞提取物有兔网织红细胞裂解物和麦胚抽提物等。




无细胞蛋白合成系统


        以外源mRNA或DNA为模板,可在细胞抽提物的酶系中补充底物和能量来合成蛋白质。表达对细胞有毒害作用或含有非天然氨基酸(如D-氨基酸)的特殊蛋白质,能够直接以PCR产物作为模板同时平行合成多种蛋白质,开展高通量药物筛选和蛋白质组学的研究。


      2013年3月以色列魏茨曼科学研究所材料与界面系的研究团队在玻璃芯片上创建了一个二维的类细胞系统,芯片上的基因表达(gene express on chip)。这一系统是由细胞中的一些基本生物分子如DNA、RNA和蛋白质构成的,能够执行一个活细胞的中心功能:基因表达,基因中存储的信息正是通过这一过程被“翻译”成蛋白质的。








生命的重构、设计与组装


     挣脱了“细胞学说”的束缚,科学家不仅仅是满足于自上而下地“解读”生命,研究方向可以是完全是相反的,可以重构或设计生命部件,从最基本的要素开始一步步建立人工生命系统。像组搭积木一样组装生命:“元件”、“模块”、“基因回路”、“基因开关”组成一个合成生物电路,并将电路和网络在底盘(细胞)上进行组装,让它们像电路一样运行


人造核糖体:破解蛋白质的翻译机器


        核糖体是细胞中的一种细胞器,细胞中都有核糖体存在。一般而言,原核细胞只有一种核糖体,而真核细胞具有两种核糖体(其中线粒体中的核糖体与细胞质核糖体不相同)。核糖体在细胞中负责完成“中心法则”里 由RNA到蛋白质这一过程,此过程在生物学中被称为“翻译”。


人造核糖体可解码四倍体密码子


         天然蛋白翻译中所用的是3位密码子,2010年英国剑桥大学Jason Chin及其同事创造的核糖体可解码四倍体密码子,零碎合成方法演变并列的或“正交”的核糖体,这样得到的核糖体能利用成对的非天然tRNA合成酵素/tRNA来高效解码四倍体密码子。这个体系有可能允许将多达200个新颖氨基酸导入通过基因编码的人工设计的蛋白中。



人造连体核糖体


         2015年来自伊利诺伊大学和西北大学的研究人员构建出了一种亚基栓系在一起的核糖体,它几乎能像真正的细胞器一样发挥作用,在细胞内合成所有的蛋白质和酶。通过构建出两个亚基共享一条核糖体RNA ,由这些小栓绳而将亚基连接在一起的工程核糖体,实际上制造出了一个双翻译系统。


人造细胞膜:像活细胞一样不断地生长


         细胞膜是一种双磷脂层的膜,在所有活生物中,它都是一种能生长的动力结构。细胞膜的基本作用是维护细胞内微环境的相对稳定,并参与同外界环境进行物质交换、能量和信息传递。另外, 在细胞的生存、生长、分裂、分化中起重要作用。



延时拍摄的生长细胞膜,膜长出的数量随时间而增加


       2015年美国加州大学圣地亚哥分校研究人员成功合成了一种人造细胞膜,能像活细胞一样不断地生长。这暗示了无机世界与有机世界的界限微乎其微,有机物的复杂度不过是能量灌注的结果。


人造DNA碱基:改写生命天书的“字母表”


        遗传信息是核酸分子中基因上的碱基排列顺序,DNA由四种核苷酸构成,这四种核苷酸以字母G、C、A和T指代。密码子是信使RNA上决定一个氨基酸的三个相邻碱基的排列顺序,分子中每相邻的三个核苷酸编成一组,在蛋白质合成时,代表某一种氨基酸



人造核酸“字母表”


        2015年美国印第安纳大学和应用分子进化基金会等机构科学家自下而上地重新发明了‘遗传字母表’,他们造出的两种人造DNA“字母”Z和P,这两种新合成的核苷酸能无缝的整合到DNA的螺旋结构中,能像天然DNA那样组合连接在一起,将来有望把这两个新成员纳入到活细胞中。



细胞内编程:为生命装上“逻辑回路”


       逻辑门又称“数字逻辑电路基本单元”。执行“或”、“与”、“非”、“或非”、“与非”等逻辑运算的电路,任何复杂的逻辑电路都可由这些逻辑门组成。生物逻辑门体现为近似它们的电子等同物。生物逻辑门也是模块化,这意味着它们可以组装在一起形成不同类型的逻辑回路,可用于制造出更加复杂的生物处理器。



为细胞装上遗传时钟


         2014年加州大学研究人员在活细胞内开发出完成预定功能的逻辑震荡回路,利用蛋白酶竞争的原理开发出跨越多重时空尺度的快速可调的耦合遗传回路,建立了在胞内及克隆水平的耦合遗传时钟平台,实现了在一个共同的遗传回路通道中的多路频率信号传输。



哺乳动物细胞计算器


        2012年苏黎世联邦理工学院教授Martin Fussenegger团队通过组合和相互连接几个逻辑门获得了“半加器”和“半减器”中心电路元件,在哺乳动物细胞内构建了一个能够执行逻辑运算的可编程细胞计算器;



细菌计算器


       2013年麻省理工学院工程师Rahul Sarpeshkar 和Timothy Lu等利用已存在于原核细胞中的自然生化功能构建出模拟电路计算器,可进行1到10000的范围内加减乘除及平方根数学运算;



设计组装活细胞:剥夺上帝的特权


        “生命是什么”是许多生物学家不断地尝试在在不同层面去理解的问题。 科学家尝试了许多方法, 把它分解到最小的组成部分。 到目前我们几乎已经用了20年来将其数字化。 当我们在排序人类基因组的时候, 它从生物学的模拟分析世界 走进了计算机的数字世界。 现在我们在尝试提问,我们是否能够再造生命, 或者我们是否从这个数字世界中能创造新的生命?




文特尔人造生命合成示意图




人造细胞“Synthia”



第一个来自计算机“母亲”的人造细胞“Synthia”


        2010年,J. Craig Venter小组将人工设计、合成、组装好的丝状支原体(Mycoplasma mycoides)DNA移植入受体细胞中,一段时间后,该移植细胞完全由合成的基因组控制。领导这项研究的克雷格·文特尔博士不无骄傲地向媒体宣称:“在这颗星球上所有能够自我复制的生命体中,我们首次拥有了这样的一员——它的父母,是一台电脑”。“这是生命科学和生物技术发展中具有决定性意义的一刻”,美国俄勒冈里德大学的哲学家马克·贝铎(MarkBedau)博士说——在千万年来不断干涉自然进化、制造新物种的人类史中,我们第一次利用最基本的建筑材料,从一个个字母开始书写生命的密码。


        在合成生物学研究中,2011年,华大基因与美国约翰·霍普金斯大学在第六届国际基因组学大会上签署《人工合成酵母基因组研究与教育合作协议》,宣布双方将联合开展人工合成酵母基因组研究。酿酒酵母基因组人工合成计划(SC2.0 Project)是人类首次尝试改造和从头合成真核生物。研究人员把经过设计的人工合成染色体导入酿酒酵母中,并保证带有人工合成染色体的酵母菌仍能够正常存活。项目领头人美国纽约大学的Jef Boeke教授2015年10月23日在第十届国际基因组学大会上宣布该项目取得了上述突破。该项工作的完成将阐明一系列如染色体基本特性、RNA剪接功能以及其基因组构成和进化等科学问题。已完成五条染色体的全合成及功能验证(其中有四条分别来自深圳华大基因研究院、天津大学和清华大学)。



细胞外的生命现象(上)



 

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