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人工合成生命的时期要来了?非生命物质发明出生命的神话

分类:新闻摘要 作者:风雨 评论:0 点击: 409 次 日期:2016-08-20

  报告人:李国红(中国科学院生物物理研究所)

  整理:科学大院(ID:kexuedayuan)

  在我们生存的自然界里,除了单细胞生物、少数低等生物,绝大多数的生物从小到大都遵守着一个雷同的规律——由一个受精卵发育形成。

  就像是父母的精卵结合,产生了受精卵,受精卵开始快速的生长分裂,经历四细胞期、八细胞期后形成桑椹胚,直到胚胎干细胞有了明显的分化进而发育成囊胚,原肠胚,最后发育成一个各器官构造纯粹的胎儿。等到胎儿出生长大性成熟之后,成熟的集体雌雄交配,又会产生新的受精卵,生命就这样在周而复始的循环中得到延续。

生命的历程与繁衍

  而至于人类到底是怎么来的,在几千年前之间有很多种说法,大致分为四类,神创论、天外科学创造论、自然发生论、生物进化论。

  此中达尔文在1859年提出的进化论(地球物种并非一成不变,而是随着自然前提的变化从简单到复杂、从低等到高等不断进化而来)是现在科学界公认的物种起源的学说。

  然而为什么同一个物种又能够存在很长的时间甚至多达几亿年,是什么能够让我们如此像我们的父辈先祖呢?

  是基因的缘故吗?

  在1865年,孟德尔在豌豆杂交试验中发现,杂交豌豆子一代后代的高茎矮茎性状遵守3:1的规律,其他几种区别明显的性状也遵守雷同的规律。

  于是孟德尔提出了分离定律,即在生物的体细胞中,控制同一性状的遗传因子成对存在,不相融会,拥有显隐性关系;在形成配子时,成对的遗传因子发生分离,分离后的遗传因子分离进入差别的配子中,随配子遗传给后代。

  后来他研究豌豆种子颜色及表皮光滑程度这两对性状时又发现了自在组合定律,即当拥有两对(或更多对)相对性状的亲本进行杂交,在子一代产生配子时,在一对遗传因子分离的同时,控制另一对性状的遗传因子表现为自在组合

  1909年,丹麦遗传学家约翰逊提出用“基因”代替“遗传因子”一词,这之后人们一直在探索基因到底在哪里。

  从1909年到1928年,美国科学家摩尔根应用果蝇作为试验材料研究基因在哪里,果蝇只有四对染色体,是研究遗传很好的试验材料。

摩尔根(1866-1945)与果蝇

  偶然的机会,他得到一只白眼雄性突变果蝇,与红眼雌性果蝇交配后,子一代都是红眼果蝇,按照孟德尔的学说,红眼基因相对白眼基因是显性,他用第一代杂交果蝇互相交配,产生第二代杂交果蝇。此中有3470个红眼的,782个白眼的,基本符合3:1的比例。

  按照孟德尔的自在组合规律,那些长着白眼的果蝇,它们的性别应当是有雄性的,也有雌性的。然而,这些白眼果蝇居然全部是雄性,没有一只是雌性的。也就是说,突变出来的白眼基因伴随着性别遗传。

  果蝇的4对染色体中,有一对是决定性别的。此中雌性果蝇中的两条性染色体纯粹一样,记为XX染色体;雄性果蝇中的性染色体一大一小,记为XY染色体。摩尔根判断,白眼基因位于X染色体上,也就证实了基因是在染色体上的

  基因的本质是什么?

  有三个经典试验证实了基因的本质是DNA。

  格里菲斯以R型和S型菌株作为试验材料进行遗传物质的试验,他将活的、无毒的RⅡ型(无荚膜,菌落粗糙型)肺炎双球菌或加热杀死的有毒的SⅢ型肺炎双球菌注入小白鼠体内,成果小白鼠安然无恙;将活的、有毒的SⅢ型(有荚膜,菌落光滑型)肺炎双球菌或大量经加热杀死的有毒的SⅢ型肺炎双球菌和少量无毒、活的RⅡ型肺炎双球菌混合后分离打针到小白鼠体内,成果小白鼠患病死亡,并从小白鼠体内分离出活的SⅢ型菌。

1928年英人Grffth所做的有关肺炎双球菌转化的试验

  格里菲斯称这一现象为转化影响,试验表明,SⅢ型死菌体内有一种物质能引起RⅡ型活菌转化产生SⅢ型菌,这种转化的物质格里菲斯称为转化因子

  在1945年,加拿大生物化学家艾弗里和他的合作者在纽约进行细菌转化的研究,试验材料是肺炎链球菌,他们从SⅢ型活菌体内提取DNA、RNA、蛋白质和荚膜多糖,将它们分离和 RⅡ型活菌混合均匀后打针入小白鼠体内,成果只有打针SⅢ型菌DNA和RⅡ型活菌的混合液的小白鼠才死亡,成果说明,使细菌性状发生转化的因子是DNA(即脱氧核糖核酸),而不是蛋白质或RNA(即核糖核酸)

1952年赫尔希和蔡丝用放射性同位素35S标志蛋白质,32P标志DNA。

  宿主菌细胞分离放在含35S或含32P的培育基中。宿主细胞在生长进程中就被35S或32P标志上了。而后用分离被35S或32P标志的细菌,并在这些细菌中复制增殖,使子代噬菌体蛋白质外壳和DNA分离被标志上35S和32P。用分离被35S和32P标志的噬菌体去沾染没有被放射性同位素标志的宿主菌,而后测定宿主菌细胞带有的同位素。

  被35S标志的噬菌体所沾染的宿主菌细胞内很少有35S,而大多数35S呈现在宿主菌细胞的外面。

  也就是说,35S标志的噬菌体蛋白质外壳在沾染宿主菌细胞后,并未进入宿主菌细胞内部而是留在细胞外面

  被32P标志的噬菌体沾染宿主菌细胞后,测定宿主菌的同位素,发现32P重要集中在宿主菌细胞内。所以噬菌体沾染宿主菌细胞时进入细胞内的重要是DNA,即DNA是遗传物质

DNA的构造长什么样?

  1952年,奥地利裔美国生物化学家查伽夫测定了DNA中4种碱基的含量,发现此中腺嘌呤与胸腺嘧啶的数量相等,鸟嘌呤与胞嘧啶的数量相等。4种碱基之间存在着两两对应的关系,腺嘌呤与胸腺嘧啶配对、鸟嘌呤与胞嘧啶配对。

  1953年2月,沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克林在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片,这激发了他们的灵感。

  他们不仅确认了DNA一定是螺旋构造,而且分析得出了螺旋参数。

  他们采用了富兰克琳和威尔金斯的判断,并加以补充:磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架,方向相反;碱基在螺旋内侧,两两对应,从而建立了DNA双螺旋构造的模型

接着克里克又提出了

  遗传信息通报的“中心规律”:遗传信息从DNA通报给RNA,再从RNA通报给蛋白质,即完成遗传信息的转录和翻译进程;也能够从DNA通报给DNA,即完成DNA的复制进程。这是所有有细胞构造的生物所遵守的共同规律。

蛋白质合成的“中心规律”

  由DNA转录出的RNA上拥有翻译成蛋白质氨基酸链的暗码。

  遗传暗码子是三联体暗码:一个暗码子由信使核糖核酸(mRNA)上相邻的三个碱基组成。暗码子拥有通用性:差别的生物暗码子基本雷同,共用一套暗码子。

  当知道DNA上的信息能够编码出蛋白质,行使生命的功效,美国病毒学家杜尔贝科提出了人类基因组计划,测定人类的全部基因序列就能够知道很多疾病的发病机理,对人类自身的了解也能更进一步。

  医治疾病的福音?

  也正是因为发现了能够剪切和连接DNA双螺旋构造的限制性内切酶及DNA连接酶,基因工程技巧呈现了。

  基因工程能够让科学家自在的编辑基因,表达基因,在生物体上实现基因的重组,从而也就呈现了许很多多性状改良的转基因动植物,改变了我们的生活。

  而且我们还能够在基因水平上控制某些疾病基因的表达,从而治愈疾病

    遗传病的基因医治是指应用基因工程技巧将畸形基因引入患者细胞内,以改正致病基因的缺点而根治遗传病。

  改正的途径既能够是原位修复有缺点的基因,也能够是用有功效的畸形基因转入细胞基因组的某一部位,以替代缺点基因来发挥影响,它是将人的畸形基因或有医治影响的基因,通过一定方式导入人体靶细胞以改正基因的缺点或者发挥医治影响,从而达到医治疾病目的的生物医学高技巧

  由于基因是携带生物遗传信息的基本功效单位,是位于染色体上的一段特定序列,想要将外源的基因导入生物细胞内必须借助一定的技巧方式或载体,基因转移的方式也就分为生物学方式、物理方式和化学方式。

  与常规医治方式差别:一般意义上疾病的医治针对的是因基因异样而导致的各种症状,而基因医治针对的是疾病的根源——异样的基因本身。基因医治重要是医治那些对人类健康威胁严重的疾病,包括:遗传病(如血友病、囊性纤维病、家庭性高胆固醇血症等)、恶性肿瘤、心血管疾病、沾染性疾病(如艾滋病、类风湿等)。

  基因医治有两种形式:

  1.生殖细胞基因医治:理想的方式是生殖细胞基因医治(germ cell gene therapy),即将畸形基因转移到患者的生殖细胞(精细胞、卵细胞中早期胚胎)使其发育成畸形集体。实际上,这种靶细胞的遗传修饰至今尚无实质性进展。基因的这种转移一般只能用显微打针,而且效率不高,而且只适用排卵周期短而次数多的植物,这难适用于人类。而在人类实行基因转移到生殖细胞,并世代遗传,又涉及伦理学问题。因此,就人类而言,多不考虑生殖细胞的基因医治途径。

  2.体细胞基因医治:体细胞基因医治(somatic cell gene therapy)是指将畸形基因转移到体细胞,使之表达基因产物,以达到医治目的。这种方式的理想措施是将外源畸形基因导入靶体细胞内染色体特定基因座位,用健康的基因确切地替换异样的基因,使其发挥医治影响,同时还须减少随机插入引起新的基因突变的可能性。现在对特定座位基因转移,还有很大困难,所以体细胞基因医治采用将基因转移到基因组上非特定座位,即随机整合,只要该基因能有效地表达出其产物,便可达到医治的目的。这不是修复基因构造异样而是补偿异样基因的功效缺点,这种策略易于获得成功。基因医治中作为受体细胞的体细胞,多采取离体的体细胞,先在体外接受导入的外源基因,在有效表达后,再输回到体内,这也就是间接基因医治法。

基因与克隆技巧
DNA是遗传物质,能够指导新生命的产生。

  将含有遗传物质的供体细胞的核移植到去除了细胞核的卵细胞中,应用微电流刺激等使两者融会为一体,而后促使这一新细胞分裂繁殖发育成胚胎,当胚胎发育到一定程度后,再被植入植物子宫中使植物怀孕,便可产下与提供细胞核者基因雷同的植物,这也就是克隆技巧。

  克隆技巧不须要雌雄交配,不须要精子和卵子的结合,只需从植物身上提取一个单细胞,用人工的方式将其培育成胚胎,再将胚胎植入雌性植物体内,就可孕育出新的集体。这种以单细胞培育出来的克隆植物,拥有与单细胞供体纯粹雷同的特征,是单细胞供体的“复制品”

  现在,出产哺乳植物克隆的方式主要有胚胎分割细胞核移植两种。

科学家伊恩·威尔默特与克隆羊“多利”

  1996年7月5日英国英格兰科学家首先培育出了克隆羊“多利”。 它是世界上第一例经体细胞核移植出生的植物,是克隆技巧领域研究的巨大突破其后各国科学家培育的各种克隆植物,采用的都是细胞核移植技巧。

  所谓细胞核移植,是指将差别发育时期的胚胎或成体植物的细胞核,经显微手术和细胞融会方式移植到去核卵母细胞中,重新组成胚胎并使之发育成熟的进程。

  与胚胎分割技巧差别,细胞核移植技巧,特别是细胞核连续移植技巧能够产生无穷个遗传雷同的集体。由于细胞核移植是产生克隆植物的有效方式,故人们往往把它称为植物克隆技巧。

  这一巨大进展意味着:在理论上证实了,同植物细胞一样,分化了的植物细胞核也拥有全能性,在分化进程中细胞核中的遗传物质没有不可逆变化;在实践上证实了,应用体细胞进行植物克隆的技巧是可行的,将有无数雷同的细胞可用来作为供体进行核移植,而且在与卵细胞相融会前可对这些供体细胞进行一系列复杂的遗传操作,从而为大规模复制植物优良品种和出产转基因植物提供了有效方式

  什么是干细胞?

  在细胞水平上对疾病的医治,现在重要应用的是干细胞。

  干细胞是一类未分化的生物细胞,它能够在一定前提下分化成各种特异类型的细胞好比神经细胞、肝脏细胞、肌细胞等,而且它也能够自我复制产生更多的干细胞。

  干细胞就像西游记里的孙悟空能够七十二变,它对我们生命的修复拥有非常高的应用价值。

  最早期的干细胞叫胚胎干细胞,是从早期胚胎中分离出来的一类细胞,它拥有分化为机体任何一种构造器官的潜能,在一定前提下,这些细胞能够在体外无穷的增殖传代,同时还保持其全能性。

  1981年,英国的Evans和Kaufman首次从小鼠的囊胚(未成形的胚胎)中分离出能够在体外培育的胚胎干细胞,并因此获得了诺贝尔奖。

  胚胎干细胞的应用重要有以下几点

  第一,用于细胞医治,现在比较成功的应用是视网膜的重建,好比将胚胎干细胞定向分化成视网膜细胞,把它接种到视网膜上之后能够使视网膜受损的病人重见光明。

  第二,用于构造器官的移植,好比构建人工心脏,人工肾脏等。

  第三,用于出产转基因的植物等。

显微镜下的人体胚胎干细胞。(来源:人民日报)

  胚胎干细胞虽然拥有巨大应用前景,但同时有很多因素制约着胚胎干细胞的应用

  首先是伦理问题,胚胎干细胞的细胞系建立的进程中须要破坏受精卵或囊胚,在很多国家和民族的信仰中,受精卵或囊胚就是生命。这种医治方式让世界上很多人无法接受。

  其次是免疫排斥问题,从胚胎细胞诱导分化而来的功效性细胞对患者来说属于异体细胞,当这种细胞移植入病人体内容易引发免疫排斥反应,而想要获得免疫源性相匹配的胚胎细胞又非常困难。

此外干细胞无穷增殖的特性也使它在应用进程中有成瘤的风险。

  自2006年,日本的科学家Takahasi 和Yamanaka 使用转基因技巧将人和小鼠的皮肤细胞转变成多能性的干细胞(iPSCs),因而除畸形发育、分化获得某种特定细胞外,我们还能够用集体自身的体细胞,诱导为多能性干细胞再分化得到特定细胞。

  由于iPSCs的诱人的应用前景,很快在2012年这两位科学家就获得了诺贝尔奖。干细胞的定向分化已经是科研领域的一大热点,现在在试验室中已经有很多种类的细胞在体外被分化出来,好比神经细胞,胰岛素细胞,心肌细胞等。

  人工合成生命的实现?

  科学家的脚步不会只停留在对生命的改造,科学家们也在思考是否能够应用非生命的物质创造出生命。

  2010年美国科学家向世界宣布的、首例人工合成生命——纯粹由人造基因控制的单细胞细菌诞生。它向人工合成生命形式迈出了关键一步。同时美国也开始了人工合成染色体计划,继而是人工合成细胞计划,人工合成生命体。

(图片来源:电影《人兽杂交》)

  这是人工创造生命的一个大胆的情景。现在随着生命技巧的发展我们能够解决很多问题,然而同样在未来可能会带来很多的灾难。好比人类基因组计划引发伦理、法律和社会问题;克隆人和人兽杂交克隆造成伦理观念的冲击;人造生命可能造成危险的物种及致命病毒的大流行等。

from:http://tech.sina.com.cn/d/f/2016-08-19/doc-ifxvcsrm1878761.shtml

致儒先生




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