亞里士多德（Aristotle公元前384～前322）

古希臘的亞里士多德認為事物是形式和質(zhì)料的統(tǒng)一，形式構成事物的本質(zhì)，在事物的形成中起決定作用。而生物的形式是靈魂(entelecheia)，它賦予有機體（organism）以行為完善性和合目的性。靈魂的性質(zhì)決定有機體的機能和結構。植物只有一種司營養(yǎng)和繁殖的靈魂，動物另有一種司感覺的靈魂，人類除了這兩種靈魂外，還有一種理性的靈魂。

1838～1839年間德國人施萊登和施旺提出了“細胞學說”，被當代生物學奉為“圣經(jīng)”。 根據(jù)細胞學說，細胞被認為是一切生命活動的基本結構和功能單位，生物體的一切生命現(xiàn)象，如生長、發(fā)育、繁殖、遺傳、分化、變異、代謝和應激等都被認為是細胞活動的體現(xiàn)。

如果將細胞學說中的“細胞”用“靈魂”來置換，會發(fā)現(xiàn)高高在上細胞學說只不過是“活力論”的翻版而已。現(xiàn)代生物學不斷在證明一件事情，所有的生命物質(zhì)可以在細胞之外合成，所有的生命現(xiàn)象可以在細胞外重現(xiàn)，生命創(chuàng)造并非是上帝的特權。

細胞外的生命物質(zhì)合成

早先，人們已知的有機物都是直接或間接來自動植物體，因此，那時人們僅將從動植物體內(nèi)得到的物質(zhì)稱為有機物。有機物對人類的生命、生活、生產(chǎn)有極重要的意義，地球上所有的生命體中都含有大量有機物。

當時科學界被“活力論”主宰，認為無機物與有機物有根本性差異，無機物所以無法變成有機物，有機化合物只能由生物的細胞在一種特殊的力量——生命力（life-force，vital spark）的作用下產(chǎn)生，人工合成是不可能的。

尿素合成：破除有機物與無機物的界限

哺乳動物、兩棲動物和一些魚的尿中含有機物尿素，1828年，德國化學家維勒（Friedrich Wohler）首次用無機物氰酸銨合成了有機物——尿素，有機物和無機物之間的界線隨之消失。

人類首次用無機物合成出來的有機物尿素

尿素的合成可說是石破天驚，它打破了多年來占據(jù)有機化學領域的生命力學說，引起了化學界的一次震動。不少人為之歡呼，紛紛祝賀。對此項發(fā)現(xiàn)，恩格斯曾評價，維勒合成尿素，掃除了所謂有機物的神秘性的殘余。當然維勒的發(fā)現(xiàn)同時也遭到了許多人的反對。他的老師貝采利烏斯（Berzelius）最初聽到這個消息時，幽默地諷刺說“能不能在實驗室造出一個孩子來”。人工合成尿素就像是導火索，引爆了有機合成的“大炸彈”，不久，乙酸、酒石酸等有機物，像雨后春筍一般相繼被合成出來，開創(chuàng)了有機合成的新時代?？聽柊?H . Kolbe)在1844年合成了醋酸(CH3COOH)[2]，柏賽羅(M . Berthelot)在1854年合成了油脂等， 目前人類已知的有機物達 8000 多萬種，數(shù)量遠遠超過無機物。

氨基酸合成：從“原始湯”里制造生命“積木”

氨基酸被認為是建造生命的物質(zhì)基礎——蛋白質(zhì)分子的“積木” ，是地球經(jīng)過幾十億年才孕育出來有機分子。

米勒模擬原始地球合成氨基酸的裝置

1953年Miller通過放電用氨、甲烷、氫和水蒸氣合成了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等重要的氨基酸，米勒把小小的容器變成濃縮了的原始地球，重演了幾十億年前發(fā)生的驚天動地的奇跡，展示了原始地球合成有機物的生動圖景。人工合成氨基酸的成功，震動了整個生物學界。在探索生命起源的征途上，人類又邁出了重要的一大步。

牛胰島素合成：破解生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎

蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。而過去世界普遍認為生命體是天然的，大都認為蛋白質(zhì)人工合成是不可能的。胰島素是人體內(nèi)唯一能降低血糖的激素，也是唯一能同時促進糖原、脂肪、蛋白質(zhì)合成的激素。而牛的胰島素，則是當時人類唯一完成一級結構測序的生物體蛋白質(zhì)。它由51個氨基酸組成，分子量雖小，但分子呈立體結構，還有3對雙硫鍵，構型十分復雜，在蛋白質(zhì)的結構與功能研究中占有特殊地位。

中國科學家人工合成生命活性物質(zhì)結晶牛胰島素

1965年9月17日，中國科學院生物化學研究所等單位，經(jīng)過六年多的艱苦工作，在世界上第一次用人工方法合成了一種具有生物活力的蛋白質(zhì)——結晶牛胰島素。將這一重要科學研究成果首先以簡報形式發(fā)表在1965年11月的《中國科學》雜志上，1966年4月，全文發(fā)表。 蛋白質(zhì)研究一直被喻為破解生命之謎的關節(jié)點，胰島素是蛋白質(zhì)的一種。它的人工合成成功，標志著人類在揭開生命奧秘的道路上又邁出了一大步。

核酸合成：破解生物合成的物質(zhì)基礎

核酸是由許多核苷酸聚合成的生物大分子化合物，為生命的最基本物質(zhì)之一。核酸廣泛存在于所有動植物細胞、微生物體內(nèi)，DNA是儲存、復制和傳遞遺傳信息的主要物質(zhì)基礎，RNA在蛋白質(zhì)合成過程中起著重要作用。

中國科學家首次合成具有生物活性的核酸大分子酵母丙氨酸t(yī)RNA

1979年，H. G. Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因；中國科學家自1965年開始開展人工合成tRNA的研究工作，由中科院上海生物化學所、細胞生物學所、有機化學所、生物物理所和北京大學、上海試劑二廠等單位聯(lián)合攻關，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t(yī)RNA。

基因組合成：破解生命的藍圖

基因是DNA(脫氧核糖核酸)分子上具有遺傳效應的特定核苷酸序列的總稱，是具有遺傳效應的DNA分子片段。基因組是生命最基本的信息載體，在由成千上萬的堿基構成的核酸鏈上，記載了生命活動需要的所有遺傳信息。

髓灰質(zhì)炎病毒基因組

2002年，美國紐約州立大學石溪分校的E. Wimmer小組用3年時間合成出了脊髓灰質(zhì)炎病毒的全基因組，約7.7Kb。經(jīng)過實驗證明，這些人工合成的病毒基因組不僅可以合成出與天然病毒蛋白完全相同的蛋白質(zhì)，而且通用具有侵染宿主細胞的活力；

2003年，J. Craig Venter的研究小組用了14天時間從頭合成了噬菌體φX174的基因組，長度約5Kb；

2005年，美國研究人員人工合成了1918年造成世界上千萬人死亡的“西班牙流感病毒”；

2008年，J. Craig Venter小組又化學合成了生殖道支原體（Mycoplasma genitalium）的基因組，長度約580Kb；

細胞外的新陳代謝

新陳代謝指生物體與外界環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換以及生物體內(nèi)物質(zhì)和能量的轉變過程，新陳代謝被認為是細胞生長、復制、分化、遺傳、變異和應激的特有現(xiàn)象，現(xiàn)代生物學不斷揭示出所有這些生命現(xiàn)象均可以在細胞外發(fā)生。

無細胞發(fā)酵：蛋白質(zhì)活動無需依賴細胞

發(fā)酵指微生物分解有機物質(zhì)的過程，它可以在有氧條件下進行，也可以在無氧條件下進行，但沒有細胞即沒有微生物這個主體發(fā)酵被認為是不能進行的。

畢希納(Eduard Biichner)

1897年德國化學家Biichner兄弟證明無細胞酵母提取液仍然能使蔗糖發(fā)酵為酒精，告訴我們這種發(fā)酵因子雖然由活細胞所產(chǎn)生，但是在離開細胞后仍起作用。

無細胞核酸合成：DNA復制無需依賴細胞

DNA復制是指DNA雙鏈在細胞分裂以前進行的復制過程，復制的結果是一條雙鏈變成兩條一樣的雙鏈，每條雙鏈都與原來的雙鏈一樣。

聚合酶鏈式反應(PCR）一種生物體外的特殊DNA復制，是利用DNA在體外攝氏95度時解旋，55度時引物與單鏈按堿基互補配對的原則結合，再調(diào)溫度至72度左右，DNA聚合酶沿著磷酸到五碳糖(5'-3')的方向合成互補鏈。由PCR技術制造的PCR儀實際就是一個溫控設備，能在95℃，55℃，72℃之間很好地進行控制。

無細胞轉錄：RNA轉錄無需依賴細胞

轉錄是遺傳信息由DNA轉換到RNA的過程，作為蛋白質(zhì)生物合成的第一步，轉錄是mRNA以及非編碼RNA(tRNA、rRNA等)的合成步驟。

來自哺乳動物或果蠅的組織培養(yǎng)細胞的提取物RNA 聚合酶Ⅱ可實現(xiàn)無細胞轉錄體系。

無細胞翻譯：蛋白質(zhì)翻譯無需依賴細胞

蛋白質(zhì)的翻譯就是把核酸中由A,G,C,T/U四種符號組成的遺傳信息，破讀為蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸排列順序。mRNA是指導翻譯的直接模板，tRNA為氨基酸轉運載體，核蛋白體為蛋白質(zhì)合成的裝配場所。

利用無細胞提取物提供所需要的核糖體、ATP、轉移核糖核酸、酶類、氨基酸、能量供應系統(tǒng)及無機離子等，在非細胞環(huán)境中以外加的信使核糖核酸(mRNA)可指導蛋白質(zhì)的合成。常用的無細胞提取物有兔網(wǎng)織紅細胞裂解物和麥胚抽提物等。

無細胞蛋白合成系統(tǒng)

以外源mRNA或DNA為模板，可在細胞抽提物的酶系中補充底物和能量來合成蛋白質(zhì)。表達對細胞有毒害作用或含有非天然氨基酸(如D-氨基酸)的特殊蛋白質(zhì)，能夠直接以PCR產(chǎn)物作為模板同時平行合成多種蛋白質(zhì),開展高通量藥物篩選和蛋白質(zhì)組學的研究。

2013年3月以色列魏茨曼科學研究所材料與界面系的研究團隊在玻璃芯片上創(chuàng)建了一個二維的類細胞系統(tǒng)，芯片上的基因表達（gene express on chip）。這一系統(tǒng)是由細胞中的一些基本生物分子如DNA、RNA和蛋白質(zhì)構成的，能夠執(zhí)行一個活細胞的中心功能：基因表達，基因中存儲的信息正是通過這一過程被“翻譯”成蛋白質(zhì)的。

生命的改寫、設計與組裝

掙脫了“細胞學說”的束縛，科學家不僅僅是滿足于自上而下地“解讀”生命，研究方向可以是完全是相反的，可以改寫或設計生命部件，從最基本的要素開始一步步建立人工生命系統(tǒng)。像組搭積木一樣組裝生命：“元件”、“模塊”、“基因回路”、“基因開關”組成一個合成生物電路，并將電路和網(wǎng)絡在底盤（細胞）上進行組裝，讓它們像電路一樣運行。

人造核糖體：破解蛋白質(zhì)的翻譯機器

核糖體是細胞中的一種細胞器，細胞中都有核糖體存在。一般而言，原核細胞只有一種核糖體，而真核細胞具有兩種核糖體（其中線粒體中的核糖體與細胞質(zhì)核糖體不相同）。核糖體在細胞中負責完成“中心法則”里 由RNA到蛋白質(zhì)這一過程，此過程在生物學中被稱為“翻譯”。

人造核糖體可解碼四倍體密碼子

天然蛋白翻譯中所用的是3位密碼子，2010年英國劍橋大學Jason Chin及其同事創(chuàng)造的核糖體可解碼四倍體密碼子，零碎合成方法演變并列的或“正交”的核糖體，這樣得到的核糖體能利用成對的非天然tRNA合成酵素/tRNA來高效解碼四倍體密碼子。這個體系有可能允許將多達200個新穎氨基酸導入通過基因編碼的人工設計的蛋白中。

人造核糖體

2015年來自伊利諾伊大學和西北大學的研究人員構建出了一種亞基栓系在一起的核糖體，它幾乎能像真正的細胞器一樣發(fā)揮作用，在細胞內(nèi)合成所有的蛋白質(zhì)和酶。通過構建出兩個亞基共享一條核糖體RNA ，由這些小栓繩而將亞基連接在一起的工程核糖體，實際上制造出了一個雙翻譯系統(tǒng)。

人造細胞膜：像活細胞一樣不斷地生長

細胞膜是一種雙磷脂層的膜，在所有活生物中，它都是一種能生長的動力結構。細胞膜的基本作用是維護細胞內(nèi)微環(huán)境的相對穩(wěn)定，并參與同外界環(huán)境進行物質(zhì)交換、能量和信息傳遞。另外， 在細胞的生存、生長、分裂、分化中起重要作用。

延時拍攝的生長細胞膜，膜長出的數(shù)量隨時間而增加

2015年美國加州大學圣地亞哥分校研究人員成功合成了一種人造細胞膜，能像活細胞一樣不斷地生長。這暗示了無機世界與有機世界的界限微乎其微，有機物的復雜度不過是能量灌注的結果。

人造DNA堿基：為生命天書增添新的字母表

遺傳信息是核酸分子中基因上的堿基排列順序，DNA由四種核苷酸構成，這四種核苷酸以字母G、C、A和T指代。密碼子是信使RNA上決定一個氨基酸的三個相鄰堿基的排列順序，分子中每相鄰的三個核苷酸編成一組，在蛋白質(zhì)合成時，代表某一種氨基酸。

2015年美國印第安納大學和應用分子進化基金會等機構科學家自下而上地重新發(fā)明了‘遺傳字母表’，他們造出的兩種人造DNA“字母”Z和P，這兩種新合成的核苷酸能無縫的整合到DNA的螺旋結構中，能像天然DNA那樣組合連接在一起，將來有望把這兩個新成員納入到活細胞中。

細胞內(nèi)編程：為生命裝上邏輯回路

邏輯門又稱“數(shù)字邏輯電路基本單元”。執(zhí)行“或”、“與”、“非”、“或非”、“與非”等邏輯運算的電路，任何復雜的邏輯電路都可由這些邏輯門組成。生物邏輯門體現(xiàn)為近似它們的電子等同物。生物邏輯門也是模塊化，這意味著它們可以組裝在一起形成不同類型的邏輯回路，可用于制造出更加復雜的生物處理器。

為細胞裝上遺傳時鐘

2014年加州大學研究人員在活細胞內(nèi)開發(fā)出完成預定功能的邏輯震蕩回路，利用蛋白酶競爭的原理開發(fā)出跨越多重時空尺度的快速可調(diào)的耦合遺傳回路，建立了在胞內(nèi)及克隆水平的耦合遺傳時鐘平臺，實現(xiàn)了在一個共同的遺傳回路通道中的多路頻率信號傳輸。

脯乳動物細胞計算器

2012年蘇黎世聯(lián)邦理工學院教授Martin Fussenegger團隊通過組合和相互連接幾個邏輯門獲得了“半加器”和“半減器”中心電路元件，在脯乳動物細胞內(nèi)構建了一個能夠執(zhí)行邏輯運算的可編程細胞計算器；

細菌計算器

2013年麻省理工學院工程師Rahul Sarpeshkar 和Timothy Lu等利用已存在于原核細胞中的自然生化功能構建出模擬電路計算器，可進行1到10000的范圍內(nèi)加減乘除及平方根數(shù)學運算；

設計組裝活細胞：剝奪上帝的特權

“生命是什么”是許多生物學家不斷地嘗試在在不同層面去理解的問題。 科學家嘗試了許多方法， 把它分解到最小的組成部分。 到目前我們幾乎已經(jīng)用了20年來將其數(shù)字化。 當我們在排序人類基因組的時候， 它從生物學的模擬分析世界 走進了計算機的數(shù)字世界。 現(xiàn)在我們在嘗試提問，我們是否能夠再造生命， 或者我們是否從這個數(shù)字世界中能創(chuàng)造新的生命?

文特爾人造生命合成示意圖

第一個來自計算機“母親”的人造細胞“Synthia”

2010年，J. Craig Venter小組將人工設計、合成、組裝好的絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）DNA移植入受體細胞中，一段時間后，該移植細胞完全由合成的基因組控制。領導這項研究的克雷格·文特爾博士不無驕傲地向媒體宣稱：“在這顆星球上所有能夠自我復制的生命體中，我們首次擁有了這樣的一員——它的父母，是一臺電腦”?！斑@是生命科學和生物技術發(fā)展中具有決定性意義的一刻”，美國俄勒岡里德大學的哲學家馬克·貝鐸（MarkBedau）博士說——在千萬年來不斷干涉自然進化、制造新物種的人類史中，我們第一次利用最基本的建筑材料，從一個個字母開始書寫生命的密碼。

在合成生物學研究中，2011年，華大基因與美國約翰·霍普金斯大學在第六屆國際基因組學大會上簽署《人工合成酵母基因組研究與教育合作協(xié)議》，宣布雙方將聯(lián)合開展人工合成酵母基因組研究。釀酒酵母基因組人工合成計劃（SC2.0 Project）是人類首次嘗試改造和從頭合成真核生物。研究人員把經(jīng)過設計的人工合成染色體導入釀酒酵母中，并保證帶有人工合成染色體的酵母菌仍能夠正常存活。項目領頭人美國紐約大學的Jef Boeke教授2015年10月23日在第十屆國際基因組學大會上宣布該項目取得了上述突破。該項工作的完成將闡明一系列如染色體基本特性、RNA剪接功能以及其基因組構成和進化等科學問題。已完成五條染色體的全合成及功能驗證(其中有四條分別來自深圳華大基因研究院、天津大學和清華大學)。

《癌圖騰》老狼撰文，轉載請注明來源并附原文鏈接。