DNA雙螺旋：引領生物學革命60年

健康中國health.china.com.cn　時間： 2013-11-06 　 來源： 文匯報

    60年前，兩位意氣風發的青年——弗朗西斯·克裏克和詹姆斯·沃森發表了著名的DNA雙螺旋分子結構,這被看作無可非議的轉捩點。從那天開始，我們關於生命的觀點永遠地改變，現代生物學的時代到來了。

　　“我們注意到，”他們在《自然》雜誌上發表的簡短論文中寫道，“雙螺旋直接表明瞭遺傳物質的複製機制。”事實證明的確如此。克裏克的妻子奧迪爾第一個畫出了這個優雅的螺旋。如今，這個最著名的生物分子已成為人類文化的一部分：在電影中、藝術品中、甚至在洗髮水廣告中都有它的身影。現在人們知道，DNA是動態的曲折捲曲，不斷移動和解旋，熱火朝天地進行著諸多生物密碼的編碼解碼工作。

　　自1953年以來，隨著人類對DNA的控制能力不斷增加，生物學已經演變為一個世界性的行業。現在轉基因技術和合成生物學已經興起，它們的發展雖然帶來了科學和商業上的收益，但也各自面臨法律上的困境。目前我們正在進入後DNA時代。在過去的幾年裏，DNA本身性質已被改變，組成DNA的鹼基發生變異，DNA的功能被重新改造進行非生物利用。

　　DNA的結構及知識

　　對DNA的操作，是由它本身的結構決定的。雙螺旋階梯的每一級都是由一對DNA鹼基組成。DNA中的鹼基分別由A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、C(胞嘧啶)、G(鳥嘌呤)這4個字母代表。A只能與T配對，而C只能與G配對。如果把階梯一分為二，把原來配對的梯級分開，那麼每一半階梯都會含有補全另一半的全部資訊。因此，你可以從一個DNA分子製造出兩個獨立的DNA分子。這個過程此刻就在你身體裏進行著，構成身體的細胞以大概是每分鐘3000個字母的速度分裂(細菌能以10倍於此的速度進行)。相同的過程在地球上的每個細胞中連續不斷地進行。據我們所知，活細胞中的DNA都是一樣的，聯繫達爾文的進化學説，我們能勾勒出生物的基本圖形，了解生命在40億年的過程中是如何進化的。

　　DNA是一種代碼，以基因的方式存儲生物學資訊。上世紀60年代，DNA密碼被系統地破解，發現生物具有驚人的保守性。如果把DNA比作字母表，那麼從中拼出的單詞就是蛋白質的組成部分——氨基酸。雖然由DNA編碼的氨基酸只有20種，但卻足以組成所有的生命體。每個生物體內的字母、加密方法、拼出的單詞都是一樣的，從細菌到藍鯨、向日葵、蘑菇、甚至你我，概莫能外。

　　從生物技術革命到合成生物學

　　正是這種統一性，催生了生物技術的工業革命，當然也給我們帶來了今天的苦惱。上世紀70年代，在美國的加利福尼亞州，科學家發明瞭在物種之間轉移DNA片段的方法，由此物種的特性可以被人精心設計。在上萬年的育種和農業活動中，人類其實已經一直在這麼做，但是各種“DNA編輯工具”的問世，使我們突然跨過了物種和性別的障礙。如今轉基因技術已經成為生命科學幾乎各個領域的中流砥柱，促進了生命奧秘的探索和疾病機制的研究。

　　在本世紀，轉基因技術之後出現的新領域是合成生物學。像電子學先驅們所做的那樣，合成生物學是通過基因修補製造標準化的組件，使新技術開發更加容易。今年夏天，最大規模的合成生物學會議將在英國帝國理工學院召開，這個快速成熟的領域的創建者們將齊聚倫敦，用日益先進的工具創造日趨複雜的生物電路，以此解決一些世界性難題，如糧食、燃料及糧食生産。在理論上，生物電路很像電子學，就像電晶體似的具有結點和“門”。但這種電路實際上是DNA，經過精心設計組裝，完成特定的邏輯功能。

　　沃森最早倡導的人類基因組計劃已于10年前完成，檢測了人類基因組中的30億對鹼基。由此産生了很多疑問，比如科學家還不清楚基因組是如何工作的。而人類已經陷入DNA專利法律困境：按現行法律，個人的基因可以被其他人擁有。本週在美國高等法院審理的兩個乳腺癌基因是關鍵司法案例，將在全球範圍産生巨大影響。

　　基因組學的先驅們改變了科學研究的方式。人類基因組計劃的研究催生了一種新的大型科研方式——開放的大型國際聯合實驗室。最近幾年，成百個實驗室的上千名科學家測定了人類及其他物種的多個基因組;上周，古老的腔棘魚基因組被測定公佈。所有的基因組數據都是公開的，最大程度地為盡可能多的人利用。

　　我們對DNA的操控已經到了登峰造極的地步，可以完全無視其本來所有的生物學功能，僅僅當作一種資訊載體來操作。簡單地説，DNA是存儲資訊的載體。它的穩定性令人難以置信：我們從已經死去很久的生命體中提取到DNA樣本，包括猛犸象和尼安德特人，這具有重大意義。

　　在上世紀90年代，人們就開始把DNA作為數據存儲載體，但直到2010年，科學家克雷格·文特爾才把一些加密資訊藏在一個他合成的細胞中，起名叫“辛西婭”。這一領域在今年1月有了突破，康橋大學的遺傳學家伊萬·伯尼用DNA編碼了一段莎士比亞十四行詩、一段馬丁·路德·金的“我有一個夢想”演講錄音、以及克裏克和沃森1953年的論文。而後把它們傳送到一個德國實驗室解碼，得到的結果是零錯誤率。

　　現在，這項技術僅僅用於存檔，因為讀寫的速度都很慢，資訊密度卻比藍光碟或硬碟還大。我們會不停地研究DNA,因此它的讀寫速度將會提高。還記得錄影帶和鐳射光碟嗎?DNA這種介質可以穩定地存儲數據達40億年。

　　我們正進入黃金時代

　　雖然目前DNA編碼和複製的機制是一成不變的，但DNA分子本身卻不是這樣。在過去幾年中，我們已經看到生命語言令人吃驚地發展。最初字母表只有4個，現在已經提高到至少6個，Z、P是由包括佛羅裏達州應用分子進化基金會史蒂夫·伯納在內的科學家提出的。這些新字母目前本身沒有任何意義：就好像我們在英文字母表裏增加一些不能發音的字母。不過伯納把它們納入一個凍結了幾十億年的分子。去年，康橋大學威克多·皮涅伊羅領導的小組重新組裝了雙螺旋階梯的支架，使DNA的D鹼基能接納其他分子，創造了一類叫做“XNA”的物質。它們同樣能複製、進化，而且擁有制藥的潛力，因為它們不同於游離的DNA，身體不能識別它們，自然也就無法降解。

　　自從60年前披露DNA優美的曲線結構以來，生物學的各個領域均在發生革命性的變化。這不可避免地帶來了人們對科學家“扮演上帝”的指控。然而這確實是我們一直在做的：提取自然材料、重新設計、改造它們，以適應人類的需要和慾望，通常沒有考慮到後果。所有對新領域的努力探索都伴隨著爭議，比如大型公司對轉基因種子所有權的壟斷行為，激起了很大怨憤。基因專利可能很快就有解決方案。

　　某些人有一種發自內心的信仰，認為我們不應該從根本上篡改自然。然而，DNA技術將繼續發展。讓DNA技術蓬勃發展是我們的責任，而如何分享其果實則留給社會作出明智的決定。60年前的發現決定了生物學的工業革命，我們正在進入黃金時代。