克雷格·文特:DNA和海洋(全文翻译)

今天我们发布一篇TED演讲的全文翻译《克雷格·文特:DNA和海洋》。

演讲人克雷格·文特(John Craig Venter)是一位生物学家和企业家。 TIME《时代》杂志在2000年7月將将他与人类基因组计划的代表佛兰西斯·柯林斯(Francis Collins)同时选为封面人物,又在2007年将他选为世界上最有影响力的人之一。在国际人类基因组计划(以下简称“国际计划”)启动八年后的1998年,克雷格·文特创办了塞雷拉基因組(Celera Genomics)公司,以商业公司的形式开展自己的人类基因组计划,并希望将研究成果申请专利,并对外界收费。2000年美国总统克林顿宣布所有人类基因组数据不允许专利保护,必须对所有研究者公开,塞雷拉不得不将数据公开。

在2002年离开塞雷拉公司后。2005年,克雷格·文特与其他人合伙建立了合成基因組公司(Synthetic Genomics),专门以经过改造的微生物来生产替代燃料的乙醇(酒精)与氢。他的研究小組有一艘由遊艇改裝成的研究船“巫师二号”(Sorcerer II),专门研究海洋微生物。

在2005年的TED大会上,克雷格·文特讲述了与海洋有关的DNA研究故事。

演讲题目:DNA和海洋
演讲人:克雷格·文特(John Craig Venter)
演讲时间:2005年TED大会

中间休息的时候,有几个人来问我对老龄化的看法。我的看法只有一个,那就是,我认为乐观主义者会比悲观主义者活得长久得多。(笑声)

接下来18分钟里,我想与大家分享的是:我们是如何做到,从最初的阅读遗传编码,转换到现在我们开始自己编写这些编码。仅仅在十年之前的这个月,我们发表了第一个自由活动的生命体——流感嗜血杆菌(haemophilus influenzae)——的基因序列。该基因组项目原本预计需要13年,结果缩减到了4个月。现在,同样的基因组项目只需要2到8个小时即可完成。因此在上一个十年里,我们得到了大量的基因组序列:大多数人类病原体,数种植物,多种昆虫和哺乳动物,包括人类的基因组。基因组学发展迅速,从测序的基因组来看,十年前我们仅仅完成了三到五个,到如今已完成了数百个。我们刚刚从戈登-贝蒂·摩尔基金会(Gordon and Betty Moore Foundation)获得一笔资助,作为环境有机体项目的副项目,我们将在今年完成130个基因组的测序。综上所述,阅读遗传编码的速率已经改变。

但我们还需看到,我们仅仅研究了这个星球表面上很微小的一部分而已。大部分人不会意识到,因为他们的肉眼看不见,但事实上,微生物占据了地球大约一半的生物量,而所有的动物加起来,也不过占地球总生物量的千分之一。牛津大学的人也许很少这么干:假设你到了海上,喝下一口海水,请记住:每一毫升的海水里,有大约一百万的细菌和上千万的病毒。

两年前,只有不到五千种的微生物被鉴定归类,我们决定在这方面做些努力。于是我们开始了巫师二号考察(Sorcerer II Expedition)。与其他大型的海洋考察活动类似,我们尝试每200英里采样一次。考察伊始,我们在百慕大进行了测试项目,接着前往哈利法克斯,然后沿美国东海岸向南,加勒比海,巴拿马运河,穿过加拉帕戈斯群岛,然后横跨太平洋,现在我们正在穿越印度洋的过程中。工作很艰难。我们使用的是一艘帆船,某种程度上这是为了激起年轻人对科学研究的兴趣。至于实验,那是再简单不过了。我们只需要把海水采上来,过滤,用不同的过滤器收集不同体积的生物体。然后将它们的DNA提取出来,带回位于罗克韦尔的实验室,在那里我们每24小时就可以测序出数百万字符的遗传编码。通过这些工作,我们取得了一些令人惊奇的发现。

比如我们眼睛里的视色素,之前认为自然界中只有一到两种生物拥有与我们相同的视色素。然而后来发现,在温暖洋区的上层海水中,几乎每个物种都拥有这类光受体,并利用阳光作为能量来源和交流工具。仅仅在一个采集点,从一桶海水中我们就能发现130万个新基因,相当于50000来个新种。


《克雷格·文特:DNA和海洋》 TED.com地址

借助来自斯隆基金(Sloan Foundation)的资助,我们已经将研究范围扩展到空气中。我们正在测算每天我们的呼吸中,究竟有多少的病毒和细菌在穿梭来回,特别是在飞机或封闭的礼堂环境中。我们使用一些简单的仪器,在纽约市的一个楼顶上就滤出了数以十亿计的微生物。目前,我们正在对它们进行DNA测序。

单纯从数据收集方面,在加拉帕戈斯群岛,我们发现,几乎每200英里采集的样品中,都能体现出海洋中巨大的(生物)多样性。不同的温度梯度或许可以部分解释这种多样性。这里有一张基于温度的卫星图片,红色表示温暖区域,蓝色表示冷的区域。我们发现,在温暖海水中取得的样品与冷水中的样品在物种丰富度上差别很大。另一个让人感到相当惊奇的发现是,我们可以通过氨基酸的序列——不同的区域差别巨大——来推测不同的光受体感受到的是何种波长的光。还有一个或许不足为奇的现象,在幽蓝的深海中,光受体倾向于“看”到蓝光。而当周围环境中存在大量的叶绿素时,光受体“看”到的是较多的绿光。光受体间的差别更大,极端情况下,它们可以感受到红外光和紫外光。

为了对我们采集的所有基因进行评估,我们把所有的数据汇总。其中包括到目前为止考察所得的所有数据,总共2900万个基因,代表了地球上超过一半的基因数据。我们把这些数据放入基因家族中,试图回答:我们是否发现了已知基因家族的新成员?或者发现了新的基因家族?结果表明,我们找到了50000个主要的基因家族,但每一个新样品都只是对这些新家族的线性补充。因此,我们正处在发现地球生命及其组成成分和基因基础的最初阶段。

当我们审视所谓的进化树时,可以看到人类就在最右上方的角落里,与动物界排在一起。它们总共拥有约2900万个基因,我们只掌握了其中大约24000个。如果把所有的动物算在一起,我们与它们之间分享着少于30000,但很可能达到12000个以上的基因家族。我认为,这些基因不仅仅是进化设计的元件。我们要从“基因中心观点”——或许回到理查德·道金斯的理论——而非“基因组中心观点”的角度来思考,后者是对这些基因元件进行不同的构造。

合成DNA,人工合成DNA的能力与DNA测序在某种程度上是同步发展的。过去十年或二十年,DNA测序变得越来越快速和廉价。有关合成基因组的想法是我们在1995年,测序第二个基因组即生殖道支原体(mycoplasma genitalium)的基因组的时候产生的。我们还制作了很不错的T恤,上面写着“I heart my genitalium”(我爱惜我的生殖器)。这其实只不过是一个微生物,却拥有约500个基因。嗜血杆菌(Haemophilus)拥有1800个基因。我们提出疑问,如果一个物种需要800个基因,另一种只需要500个基因,是否可以用更少的基因组成一个微小的可操作系统?

于是我们开始做转座子的突变发生。转座子是小的DNA片段,随机地插入遗传编码中。如果转座子插入到基因之中,就会扰乱基因的功能。因此我们找出所有能够接受转座子插入的基因,称为“非必需基因”,并为它们做了一张“地图”。但是,环境对此的影响非常关键,我们只能根据环境中确实存在的条件来定义必需或非必需的基因。我们还试图做一个更加直观的研究,即比较13个相关生物的基因组,找出它们的共同之处,于是就得到这些重叠的圆圈。我们发现这13种生物中只有173个基因是相同的。如果忽略掉一个细胞寄生物的话,这个基因库还能扩展一些;当我们审视核心的一组310个基因时,基因库扩大更多。因此,我们认为可以将基因组从最少500个基因扩展或者缩小——取决于你看待它的角度——到300至400个。

证明这些想法的唯一途径就是用这些基因人工构建一个的染色体,而且我们必须用基于表达框的方式来达到这一目的。大片段精确合成DNA是非常困难的。我的同事汉姆·史密斯和克莱德·哈奇森研究出了一种新方法,可以在两星期的时间里合成一个具有5000个碱基对的病毒,而且从序列和生物学特性上百分之百精确。这是个相当令人振奋的实验:我们只需将合成好的DNA片段注入细菌中,突然间,DNA开始引导病毒颗粒的生成,接着这些病毒反过来杀死了细菌。这并不是第一个合成的病毒——某种脊髓灰质炎病毒已在一年前制造出来——却是唯一一个具有百分之一活性的病毒,花了三年时间才合成成功。这是Phi X-174结构的动画。这是软件为自己构建硬件的活例子,也是我们在生物学上的新想法。

有人立即开始担心生物战争的威胁,不久前我也在参议院委员会和另一个由美国政府成立,旨在评价这一领域的特殊委员会上作证。我觉得,重要的是将事实牢记在心,而非人们对事件如何发生的想象。基本上,任何现在已经测序完成的病毒,其基因组都能被合成。人们马上会被埃博拉病毒或者天花病毒所惊吓,但实际上DNA本身并不会导致感染。安全部门真正应该担心的是“设计者病毒”(designer viruses)。世界上只有美国和前苏联曾经花大力气研究生物武器。如果这些研究真的已经终止,那么未来制造出设计者病毒的几率是微乎其微。

我认为两年内制造出单细胞生物是可能的。而真核细胞,则有可能在十年内实现。我们可以区分开进入人工染色体中的不同表达框和不同基因,这使得我们能够构建数十个不同的结构。关键是,如何把其他的(基因)放进来?我们以这些片段开始,然后通过同源重组将其组合到染色体中。

这是一种名为耐辐射奇异球菌的生物,它能在三百万拉德的辐射剂量下保持活力。在暴露辐射约12到24小时,其染色体几乎完全破碎的情况下,它还能将自身的染色体重新组装起来。这种生物在地球上几乎无处不在,甚至由于人类的活动,它们也可能在外太空活动。这是玻璃烧杯在约50万拉德辐射下的情形,玻璃开始燃烧,爆裂,而位于烧杯底部的微生物仍然是不亦乐乎。这就是实际情形的图片:上面是经过170万拉德辐射之后的染色体,几乎已经支离破碎。下面是24小时之后,同一个DNA自动重组的结果。真是令人叹为观止。这些生物能够做到的,也许我们还能找到数以千计——如果不是数以万计的话——的物种也同样能够做到。这些基因组合成之后,第一步就是移植到另一个没有基因组的细胞里。

我们认为,合成细胞将具有巨大的前景,不仅仅是在理解生物学基础上,而且很可能帮我们应对环境和社会问题。例如,我们测序的第三种生物,詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii),它生活在相当于水沸点的高温中,以氢作为能量来源,靠捕获周围环境中的二氧化碳为自己提供所需的碳。我们知道,通过许多不同的途径,数以千计的生物能够捕获,并且依赖二氧化碳生存。因此,我们可以通过捕获大气中的碳,制造生物高聚物或其他产品,来替代从石油中工业合成得到的碳制品。有种依赖一氧化碳生存的生物,我们利用其还原能力使水分子破裂,制造出氢和氧。同样,还有许多生物代谢途径能够用来转化甲烷。杜邦公司(DuPont)和挪威石油公司(Statoil)有一大型项目,内容便是将从油气田获得的甲烷转化成有用的产品。

我想,一个称为“组合基因组学”的领域将很快就要诞生。因为有了这些新的合成方法,有了这么庞大的基因序列和同源重组,我们可以设计出一个能每天生产近百万个染色体的机器人。由此,就像所有生物学实验过程一样,我们可以通过屏幕进行选择,无论是要制造氢,还是制造化学物质,抑或仅仅了解其生存能力,都可以从屏幕上获得。理解这些基因的功能将变得触手可及。

我们正尝试改进光合作用,以直接在阳光下制造出氢。光合作用受氧调节,而我们使用的对氧不敏感的氢化酶,将完全改变这一过程。我们还整合了多种纤维素酶,这些酶可以把复杂的糖类转化成简单的糖类,并在同个细胞中进行发酵,制造出酒精。在某些大型实验室里,已经开始利用微生物进行药品生产。环境中化合物的化学性质,比最好的化学家制造出来的化合物还要复杂很多。也许未来的工程物种将成为我们的食物来源、能量来源、环境补救手段,甚至取代石化工业。

最后,就让我以道德和政策上的研究结束吧。我们推迟了1999年开始的实验,直到对是否应该尝试制造人工物种这一问题做了长达一年半的生物伦理学讨论之后,实验才继续进行。每个重要的宗教都参与其中。这其实是项很奇怪的研究,因为许多宗教领袖都以他们的教义、经文作为法律,而且不能在其中找出禁止制造生命的条文,所以,这应该没什么问题。唯一根本性的担忧是在生物武器方面,不过,只有开始进行这些实验之后,我们才能找出从事这一切真正是为了什么。

目前,斯隆基金会已经资助了一个相关的多机构研究,以确定这些实验给社会带来的风险和益处,同时也为科学团队——好比我们自己——在这一领域开展研究制定规则。在潜心研究的同时,我们正努力成为一个良好的榜样。有许多复杂的议题,除了生物恐怖主义,它们其实都很简单:我们能否设计出生产清洁能源的工具,从而彻底变革发展中国家的能源生产模式?而这样的新生产方式,将会通过各种不同的简单的步骤来完成。非常感谢。

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