制造前所未有的生命

岑夫子

地球上的生命可谓一个奇迹。

可是，什么是制造这个奇迹必不可少的呢？随着人们对生命一步步地深入认识，原先认为必不可少的东西（比如说蛋白质）都被一一抛弃了，最后只剩下一样东西——DNA。生物学家发现，所有的细胞生命都离不开DNA。

但现在他们又发现，连DNA也不是生命所必需的。

天然的DNA有哪些特征？

细胞生命的最重要特征之一是遗传，遗传是通过DNA上的基因复制来实现的。这些基因不仅告诉我们的身体该怎么长，还把父母亲的特征传给我们。DNA被称为“生命密码”就是这个道理。每个人身上都有这样一套“密码”。

DNA的构造是1953年由沃森和克里克破译的。他们发现，它由两条以双螺旋的形式互相缠绕的脱氧核苷酸长链组成，中间通过一对对碱基相连。如果把DNA看成一架双螺旋状的梯子，两条长链就相当于两边的扶栏，而碱基对相当于中间踏脚的横木。每条“横木”都由两个碱基组成，每边各出一个，碱基之间则通过氢键（一种分子间作用力）相连。

碱基有4种类型，它们只能以特定的方式配对：腺嘌呤（A）配胸腺嘧啶（T），鸟嘌呤（G）配胞嘧啶（C）。碱基的序列就编码着我们基因中的信息。

这些碱基的大小还不一样，嘌呤要比嘧啶大，所以每对碱基事实上是以大对小，或小对大的方式配对的。

这一切构成了我们对DNA的基本认识。自然界中存在的DNA都符合这些特征。

天然DNA的特征被一一打破

但是，近年来越来越多的研究表明，这些特征并不是DNA的遗传功能所必需的，改变其中的一些特征，DNA照样能工作。如果我们狭义地只把天然的DNA认作DNA，那么修改后的DNA就不能算是真正的DNA了，我们完全可以给它取个另外的名字。

对DNA的第一个重要修改是扩大了碱基的数量。2014年，一位美国生物学家制造了具有6种碱基的DNA：原始的4种碱基加上2种人工碱基。

后来，英国剑桥大学的一位分子生物学家又进行了另一项尝试。他保持碱基不变，但把DNA长链上原先的脱氧核糖替换成其他分子，制造出“XNA”（DNA中的“D”代表的就是脱氧核糖）。他发现，非天然的XNA也能行使遗传物质复制的功能。

最近，美国生物学家斯蒂芬·本纳和他的同事又对DNA花样翻新。他们用4个分子团替代标准碱基，制造出一种人工DNA，因这些分子团比碱基小，所以这个人工DNA比天然DNA要瘦;此后，他们如法炮制，用另4个大分子团，制造出另一种胖DNA。

不管瘦还是胖，它们都发挥了DNA的关键功能：如果两个碱基配对不正确，错放的一个就会被迅速清除，并被正确的碱基取代。天然DNA就是这样确保我们的基因不会被弄乱的，而修正版的DNA也能做到这一点。

更值得一提的是，这样的人工DNA还打破了一项规则。我们前面提到，在天然DNA上，碱基是以“大对小”或“小对大”的方式配对的。但在瘦DNA上，配对方式是“小对小”;在胖DNA上，是“大对大”;而两者都一样能工作。

目前的人工DNA主要在非细胞生命环境中（比如病毒）工作，有个别是在细菌中工作。前面提到的有6种碱基的人工DNA，科学家将其植入大肠杆菌后，制造出152种自然界并不存在的氨基酸。做这种实验，先要把细菌的天然DNA用人工DNA替换掉，但既然DNA都改变了，细菌当然严格来说都不是原先的天然细菌，只能算人工细菌了。但这些人工细菌在实验室只要给予必要的资源，都能自我复制和繁衍。

还是大自然更胜一筹

既然这么多人工DNA也能工作，这就引出一个问题：DNA是生命进化过程中大自然鬼斧神工的杰作，还是只是众多设计方案中再普通不过的一种呢？

最初，科学家对天然DNA很不以为然，认为它的设计很多地方显得十分“笨拙”。以那两条脱氧核苷酸长链为例，它们富含负电荷，这是多么愚蠢的一项设计。我们知道负电荷之间会互相排斥，所以两条DNA链很难聚集在一起形成双螺旋结构，于是才有了碱基配对这种方式，帮助DNA链形成双螺旋结构。

再有，配对碱基之间是通过氢键结合在一起的，但是氢键的结合力是非常弱的，很容易被水分子破坏，可细胞里含量最丰富的恰恰就是水。如果换做你，你会放心用这么脆弱的一种方式将重要的遗传信息遗传下去吗？

但当科学家们自己去设计人造DNA的时候，通过一次次失败，他们才参悟到，天然DNA的这些“缺陷”恰恰是它的独到之处。还是以带负电荷的两条长链为例，当科学家用电中性的分子替代之后，他们发现这样的长链根本伸展不开，稍长一点就拧在一起。所以，大自然在DNA链中设置这些负电荷，让两条长链相斥，可能就是为了让DNA长链保持一种伸展的状态。

之后的研究又发现，连接两个碱基的氢键虽然很弱，容易被水分子破坏，但也因此比较容易拆下来替换。这提高了DNA自身的修复能力。

此外，尽管科学家已经研制出这么多能工作的人工DNA，但它们在每次复制中，保真率（即正确复制的概率）还是不如天然DNA。人类目前能够达到的最好成绩，却是大自然的最差表现。尤其是一些人工碱基，在复制中很容易被天然碱基替换掉。看来，细胞生命虽然也被迫接受了人工的东西，但似乎还得不到它们的真正认可。

现在，科学家也已经意识到，不能把这些人工的东西塞进细胞就算完事了，如何让细胞接纳这些人工碱基才是今后工作的重头戏。

DNA并不是生命所必需的

不过，我们也要看到，虽然人工DNA目前还存在种种令人不满意之处，但通过不断改进，也许有一天会工作得跟天然DNA一样出色。如果真做到了这一点，也就证明了一点：DNA（特指天然的DNA）并不是生命所必需的。

科学家对此似乎很有信心。比如，为什么天然DNA上只有4种碱基？为什么不是6种或10种？他们说：我们的生命祖先可能由于条件的限制（比如化学原料缺乏等），只简单地设计出了4种碱基。一旦生命体拥有了足够使用的碱基，它们就不再需要新的碱基了。我们只能承认这是“历史的选择”，但绝不是唯一可能的选择。大自然以它自己的方式设计了生命，但是肯定还有其他的途径也能够达到同样的目的。

这个观点对于寻找外星生命是很有启发意义的。我们现在在外星球寻找的都是微生物之类的原始生命，这些东西肉眼不可见，只能通过仪器来分析。但我们的仪器设计起来是用来发现类似地球上的天然DNA的。万一外星生命的DNA跟我们不一样，我们可能就错过了。

可是，我们凭什么认为它们的DNA跟我们的一样呢？考虑到我们的DNA是地球历史环境的产物，那外星生命会使用和我们一样的碱基吗？难道类型也只限于4种，而不是2种或6种？我们实在不敢打这样的包票。在这情况下，我们寻找外星生命就不应该限于寻找天然DNA，还应该再找找其他形式的遗传分子。

另外，人工DNA的出现，意味我們又多了一种制造自然界不存在的生命的办法。

在此我们不妨回忆一下：从零开始创造生命，最早是由美国著名遗传学家克雷格·文特尔于2010年取得突破的。他和他的团队在实验室参照一种细菌的天然DNA，利用化学物质，像玩积木一样一个碱基一个碱基地拼凑出整条相同的DNA。然后把这条人工DNA植入被挖掉细胞核的单细胞生物里，让它复制、繁衍。这是第一个人造生命。但这个人造DNA，除了是人造的，与天然DNA并没有本质区别。

但现在，碱基可以人为增加，甚至碱基和DNA长链都可以用别的材料替代。这样的人造生命可以说改造得更为彻底。甚至可以说，我们制造出了地球上前所未有的生命！