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今后，我們的衣食住行會否主要來源于合成生命的“生物制造”？人工智能在蛋白質(zhì)預(yù)測領(lǐng)域的成功，會使它在合成細(xì)胞上大放異彩嗎？11月5日舉行的世界頂尖科學(xué)家國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室論壇聚焦近年來大熱的合成生物學(xué)，中外專家?guī)砹嗽O(shè)計(jì)疫苗、人工細(xì)胞、細(xì)胞體內(nèi)編程等前沿進(jìn)展，并對該領(lǐng)域的未來發(fā)展提出前瞻性思考。

能否在實(shí)驗(yàn)室外生存是“合成細(xì)胞”面臨的第一關(guān)

在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)計(jì)并合成出一種抗原受體，并將它嵌入細(xì)胞，通過CAR-T療法使癌癥小鼠體內(nèi)的腫瘤得到抑制。2012年拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎得主、美國藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院與美國國家科學(xué)院院士羅納德·維爾饒有興致地介紹著這項(xiàng)由他領(lǐng)銜的基礎(chǔ)研究成果，“我們還想嘗試在體內(nèi)對骨髓細(xì)胞進(jìn)行‘編程’，希望可以在體內(nèi)生成一些因子，殺死癌細(xì)胞”。

自合成生物學(xué)興起，人工設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)、合成基因，為人類了解生命本質(zhì)推開了一扇新大門。論壇上，2013年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主詹姆斯·羅斯曼講述了神經(jīng)突觸囊泡上的一個蛋白是如何抓住并釋放分子的，這個蛋白是他利用冷凍電鏡發(fā)現(xiàn)的。2014年諾貝爾化學(xué)獎得主斯特凡·赫爾則展示了由他創(chuàng)建的一套精準(zhǔn)“追蹤”生命分子的體系——時(shí)間可短至毫秒級，空間分辨率可高達(dá)納米級。

有了這些尖端手段，人類是否離“合成細(xì)胞”不遠(yuǎn)了？羅斯曼認(rèn)為，真正的合成細(xì)胞一時(shí)還無法實(shí)現(xiàn)，或者說為時(shí)尚早。盡管現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)能夠合成DNA片段，對微生物的基因組進(jìn)行編輯，但細(xì)胞如同一個復(fù)雜社會，除了房舍道路，還有各司其職的“打工者”。因此，人工合成細(xì)胞要過的第一關(guān)就是，是否具有足夠的穩(wěn)定性與自然細(xì)胞競爭并存活下來，尤其是要面對實(shí)驗(yàn)室外嚴(yán)苛的環(huán)境。在德國工程院院士、西湖大學(xué)教授曾安平看來，“這在目前還做不到，因?yàn)槲覀儗?xì)胞運(yùn)行的規(guī)律還需更深入的了解”。

1/3的衣食住行需求或可通過“生物制造”來滿足

雖然離合成細(xì)胞路途尚遙，但合成生物學(xué)引發(fā)的“生物制造”探索熱潮已在路上。羅斯曼認(rèn)為，合成生物學(xué)對于人類應(yīng)對目前的生存困境大有可為。

曾安平表示，未來百年，人類社會1/3的衣食住行需求將可能通過“生物制造”來滿足。“我們最新的探索是想用二氧化碳來取代糖，作為生物制造的原料。”他說，這是一條雄心勃勃的“從一碳到三碳”的合成之路，因?yàn)槎趸己芊€(wěn)定，要讓它“變身”需要注入能量，而且要充分利用其產(chǎn)物，這需要系統(tǒng)性的解決方案。

通過合成生物學(xué)手段來設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)，已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，成為目前炙手可熱的研究領(lǐng)域。而“阿爾法折疊2”在預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上的巨大成功，使得大量人工智能人才涌入蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

清華大學(xué)和北京大學(xué)訪問教授許錦波認(rèn)為，人工智能在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)上的作用不容小覷。他的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出超過200個氨基酸的蛋白質(zhì)，這種蛋白可在極端高溫下保持功能不喪失，“人工智能設(shè)計(jì)出的蛋白更穩(wěn)定、親和力更強(qiáng)”。

不過，盡管人工智能改變了微生物學(xué)家的工作方法，但蛋白質(zhì)科學(xué)本身的問題并不能依賴人工智能來解決。許錦波指出，一些“孤兒蛋白”的結(jié)構(gòu)就很難預(yù)測，多個蛋白結(jié)合的構(gòu)象也超出了“阿爾法折疊2”的預(yù)測能力，“尤其當(dāng)我們需要構(gòu)建大自然中不存在的蛋白質(zhì)時(shí)，就會面臨更多挑戰(zhàn)。”

作者：許琦敏

圖片：受訪者提供