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镜像世界与多样性大爆发 进化的速度能有多快，多样性的程度又能有多高？ 055 第4章 3.6 亿年前，石炭纪 石油的最佳替代品还是石油 107 第5章 6千万年前，古新世 哺乳动物免疫系统的出现 通过基因组工程来解决医疗危机 131 第6章 3万年前，更新世公园 灭绝基因组的工程学 165 第7章 1万年前，新石器时代 产业革命 农业革命与合成基因组学 BioFab宣言 189 第8章 100 年前，人类世 第三次产业革命 iGEM 231 第9章 1年前，全新世 从个人基因组到永生人类组件 263 表观遗传学后记 1年后，起点的终结 转基因人与泛生时代 社会危机与应对措施 293 致谢 335 备注：如何将本书编码入DNA 343 內容試閱： 序 生物塑料到智人2.0 2009 年12 月，华盛顿特区约翰F肯尼迪表演艺术中心的观众们亲身感受了一次生物学未来所带给他们的小小冲击。他们在演出前和幕间休息时的饮料无论是啤酒、红酒还是苏打汽水都是由一种新型透明塑料杯来盛装的。这种杯子看上去就跟其他那些通过石油化工生产出来的透明塑料杯别无二致，唯一的区别是它们的杯身上印有如下字样： 100%植物塑料。 植物？ 没错。这种塑料名为Mirel，生产它的合资企业有两个投资方：其一是马萨诸塞州剑桥市的一家名为Metabolix 的生物工程公司，而另一个则是美国食品加工巨头Archer Daniels Midland公司。后者最近在爱荷华州克林顿市设立了一家生物塑料生产工厂，预计Mirel 生产规模可达到每年5 万吨。 Mirel 的化学名称叫做聚羟基丁酸（PHB），一般都是由石油中的碳氢化合物制造的。但是从20世纪90年代早期开始，身为分子生物学家、同时也是Metabolix 公司联合创始人的奥利弗皮普尔斯（Oliver Peoples ）就开始探索通过发酵工艺也就是利用基因改造的微生物对混合原料的加工作用来生产像PHB这类的多聚物的方法了。 经过了17 年的研究和实验（ 以及被几家化工企业哄笑拒于门外的经历），皮普尔斯终于研发出了一种可用于工业化生产的专利微生物菌株，能够将玉米中提取的糖类转化为PHB塑料多聚物。从最基本的原理上来说，这个过程与酿制啤酒并没有太大不同，后者也是由发酵产生：通过微生物（ 酵母菌细胞）对麦芽和啤酒花的作用来产生乙醇。只不过生产Mirel 的微生物发酵系统不是酒桶，而是一个混合了基因工程菌株和玉米糖类以及其他生化植物和香料的巨大发酵罐。微生物将玉米糖类进行代谢，将其转化为生物塑料。此后，生物塑料被从有机体中分离出来，并被制成Mirel颗粒。乙醇是化学品，PHB也是。在这两个过程中，微生物都对有机原料进行了转化，只是产生了完全不同类型的终产物。 由微生物生产的PHB相比石油化工衍生版本来说具有一些重要的环境优势。首先，由于它不是从石油中生产的，因此减少了我们对化石燃料的依赖。其次，它的主要原料物质玉米又是一种可再生可持续的农业资源，而不是我们近期会消耗殆尽的东西。第三，Mirel 生物塑料树脂是经Vin?otte（ 一家独立调查和认证机构）认证的唯一一种在自然土壤和水环境（ 如海水）下可生物降解的非淀粉类生物塑料。如果肯尼迪中心的哪个塑料杯子被丢进了波托马克河1，它也会在几个月的时间里完全降解并彻底消失。（ 当然，生物降解也不一定就是我们曾经以为的万灵药。这个降解过程会释放出温室气体，而讽刺的是，那些不可降解物反而起到了固碳作用。） 合成生物学令许多的变革成为可能，构建一种可以像酿酒一样把玉米变成塑料的微生物只是其中的一个范例。这一新兴科学可以选择性地改造有机生物体的基因，使它们能够做到在原始、自然、未改动的情况下所不能做到的事情。 然而，将玉米变成塑料只是合成生物学的冰山一角。在21 世纪的最初十年中，微生物来源的材料已经广泛应用于各种产品。如果不告诉你，你绝不会猜到它们居然是由细菌在那些三层楼高的发酵罐中生产的。地毯纤维就是一个例子。2005年，莫霍克工业公司（Mohawk Industries）推出了最新的SmartStrand地毯系列。它们的原料是杜邦公司（DuPont ）的Sorona纤维，后者则是由 易得且可再生作物中自然产生的糖类加工而成。Sorona 纤维具有独特的半晶体分子结构，令其特别适合用于衣物、车饰和地毯。这种纤维在中部存在明显的纽结，这一构形起到了分子弹簧的作用，使它能够在拉升或变形后自动缩回原来的形状。这种特性对于防止衣物膝部和肘部松弛，或是生产高弹性、舒适且有支撑力的地毯来说是再完美不过了。 Sorona的主要成分是一种名为1，3-丙二醇（PDO）的化学物质，一般来自于石化产品和其他包括乙醚、铑、钴和镍在内的原料。1995 年，杜邦公司与杰能科国际（Genencor International，一家总部位于帕罗奥图市的基因工程公司）联手开始研究通过生物学方法生产PDO的可行性。两家企业的科学家从三种不同的微生物中提取了DNA并将它们拼接起来，构成了一种新型的大肠埃希氏菌（Escherichia coli，简称大肠杆菌或E.coli ）工业菌株。具体来说，他们对这种微生物进行了二十六项基因改造，使它能够直接将玉米中的葡萄糖在发酵罐中转化为PDO，正如啤酒和Mirel 那样。 2003年，杜邦公司注册了Bio-PDO（ 意即生物PDO）的商标，并开始量产这种物质。该公司宣称，这是基因改造生物首次用于将自然产生的可再生资源转化为工业化学品的大规模生产。美国环境保护局（ US Environmental Protection Agency ）将Bio-PDO视为绿色化工的一大胜利，并授予杜邦公司2003年度的更绿色反应条件奖（ Greener Reaction Conditions Award，这是美国总统绿色化学挑战奖的一部分）。可不是么？这种生物纤维使用了更加绿色的原料和反应物，并且它的合成步骤比生产其他纤维更少也更经济。举例来说，生产Sorona 所需要的能耗就比生产等量的尼龙减少了30%，而温室气体的排放更降低了63%。正是由于这个原因，莫霍克公司将环境友好作为了Sorona 地毯的一大卖点： 每7 码（ 约6.4 米）采用杜邦Sorona 纤维的SmartStrand地毯，就能够节省相当于1 加仑1 汽油的能源相当于每年节省1000 万加仑汽油！这下你明白了吧：这是一种政治上正确的地毯。 然而，这些例子背后蕴含的事实本质，其重要性远远超过政治上的正确。它们证明，生物体本身就可以看作是一种高科技，即大自然自己的多功能创造引擎。如果我们在计算机上进行合适的编程，它就能驱动任何其他设备的工作。从这个意义上来说，计算机可以被视为通用设备。同样的，生物体也可以被看作是个通用构造器，只要对生物体进行合适的基因编程，它也可以产生几乎所有你能想象得到的人造产品。毕竟，生命体和计算机一样，就是一个受程序即基因组控制的即用型预制装配生产系统。简而言之，生物体就是可编程的生产系统，生物工程师可以通过对遗传学软件进行微小改动从而明显改变生物体的产出结果。合成生物学以及合成基因组学（ 即对基因组进行大规模重制的学科）正是对于这一基本事实的实践尝试。当然，生物体的生产并不是随心所欲的。与所有物体和过程一样，它们也受到自然法则的约束。譬如说，微生物不可能点铅成金。不过，它们倒是可以化污为电。 这一惊人的能力最早是由研究者布鲁斯洛根（Bruce Logan）所带领的宾大1 科研团队在2003 年所展示的。他知道，仅美国国内每天需要治理的污水就超过1260 亿升，由此带来每年250 亿美元的治理成本，其中绝大部分用于能源支出。他想，这样的成本 不应该由全球60 亿人来承担，尤其是那些发展中国家的人们。众所周知，细菌可以用来治理污水。另一方面，微生物学家早在数年前就已经知道细菌可以产生电。然而当时还没有人将这两种能力结合起来。如果能让微生物同时做这两件事，一边治理污水一边产生电能，那又将如何？ 这个事业的关键在于微生物燃料电池（MFC）生物学电池的一种。在普通代谢中，细菌会产生自由的电子。微生物燃料电池由两个电极一个阳极一个阴极。液态介质中的细菌释放的电子会在两极之间形成电流。电子从细菌传至阳极，而阳极和阴极之间则由一根导线相连。 洛根和他的同事们一起制造了一个圆柱形的微生物燃料电池，中间灌满从宾州水处理厂收集来的污水，然后在电池内接种了一种名为金属还原地杆菌（Geobacter metal-lireducens ）的纯种菌株。结果不得了，短短几小时，微生物就开始对污水进行净化，同时还产生了一定量的电能。这些结果 首次展示了可以在发电的同时进行污水治理，洛根说道。 如果能提高这些系统的发电效率，MFC技术将会成为降低污水治理成本的新方法，令发展中和工业化国家的先进污水治理变得更为可行。 要复制这套基本设备并不困难。没过几年，纽约市史岱文森高中（ Stuyvesant High School）的二年级学生蒂莫西常（Timothy Z.Chang，音译）就在家中和高中实验室里设计、建造和运行了微生物燃料电池。为了能够最大化电能产量，他实验了约四十种不同的菌株。在项目正式报告中他这样写道： 通过积极控制菌群数量，有可能达到更高的能源产出。 截至2010 年，为使这一技术能够成为现实世界中实际可用的治污方案，已有数个研究团队投身至提高细菌污水发电效率的工作中。与此同时，合成生物学家已经成功地让微生物实现了各式各样不同的创造性功能。显然，许多微生物大自然的基本生命单位正在经历非常激进的DNA修饰，甚至可以说是彻底的重新设计。有些经过基因改造的微生物可以产生柴油、汽油和航空燃料。有些可以检测出饮用水中极低浓度的砷（ 低至十亿分之五），并通过改变颜色来进行报告。还有些微生物则可覆于生物胶片的表面，通过在特定荧光下产生黑色素来复制叠于其上的图案或投射的影像换句话说，其实就是微生物复印机。 一项学生项目对大肠杆菌进行了改造，使其能够产生血红蛋白（ 细菌血）。这些血红蛋白可以经过冻干化处理，然后在需要急救输血的场合进行重构和使用。在2006 年，仅仅是因为好玩，五位麻省理工学院（MIT）的本科生成功地将大肠杆菌（ 这可是一种生活于肠道中闻起来像人的排泄物的细菌）改造成了香蕉或是冬青...... 38 亿年前，冥古宙晚期 站在无机与有机的边界 接下来的将是有史以来最伟大的故事。 这是关于一种无形存在的故事。它亘古以来默默无名。现在，它叫 基因组。它的存在跨越时空，作为自然的杰作，它的深度、它的复杂、它的丰富和它所表现出的多样性就是我们要讲述的故事。它既古老又现代，它的存在早于我们最初的祖先，却又比新生的婴儿更加鲜活。它的子嗣遍布我们这颗星球，现存数量比以十亿乘以十亿乘以十亿（ 1027 ）计还要多。 在基因组的故事里，性所占的比例超过你能想象的绝大多数情色小说。它的字里行间充满着令人惊奇的动作场景，数不胜数的生死挣扎，最渺茫的希望成为了现实，以及重重艰难阻隔也未能遏制的全面胜利。这是一个关于家族和宇宙的真实故事。在复述它的时候，它就成为了你自己的故事的一部分。这个故事向你展示了一个充满活力的过去，并有可能将我们指向更美好的未来。作为一本终极自助手册，它能带来健康、延年益寿，并令子孙满堂 数如夜空之繁星和海岸之砂砾（ 正如犹太教、基督教、伊斯兰教的传统说法），或是 多如恒河之沙（ 佛教说法）。 为了配合这个史上最伟大的故事，本书也就成了一个多元化的故事，即根据螺旋式的理解进程进行组织和讲述。藉由其保真性、多样性以及丰富的存量，基因组很好地适应了这个物质世界。它反复地在几个基本问题上不断挖掘探索，将问题的答案传承下去，甚至时不时还能将已经亡佚的解决方案重新再找回来。通过进化的过程，我们第一次从生物学的角度看到了这些被它解决的问题。自然将无机物转变为有机物。自然有机体可以读取并翻译基因组，并且还能创造出巨量的遗传多样性。这个自然互动的网络就是我们要讲述的第一个故事。 很久很久以前，在那个叫做冥古宙的时代。

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