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尋找生命的雛形
2017-03-17         
        從化學角度看,生物過程簡直精妙得無法想象。但是化學家在膜拜生物神之前應該想到世界上很多其它東西也很復雜,但這些復雜體系并非一日建成,而通常是在一個關鍵雛形(prototype)上長時間優化而來。比如飛行,任何人看到現在的波音747都會對其復雜功能和控制系統嘆為觀止。但是飛行最重要的突破可能是懷特兄弟的可控飛行器,而那個初始飛機遠遠沒有747那么令人感到深不可測。根據那個雛形優化到747雖然也不容易,但都是技術細節。
        所以找到生命的雛形對理解生命過程很重要。生物學家很長時間就探索最簡單的生命需要多少基因。今年Craig Venter的團隊從一個天然細菌開始,經基因工程改造得到一個只有473個基因的細菌,這是迄今為止最簡單的生命。雖然這個叫做JCV-syn3.0的家伙除了吃和拉之外幾乎沒有其它功能,但是人家的確是個生命。從這個角度看有3萬個基因的人體和這個細菌比并無本質區別,高等動物的很多蛋白可能是me too蛋白,只是可以對付更復雜的環境壓力。
        化學家則試圖使用非蛋白、核酸等生物分子建造有生命特征的化學系統,如最近George Whitesides設計的硫酯/硫醇系統。生命過程使用的化學反應只占已知化學反應的極少一部分(室溫、水溶液反應),細胞利用這有限的化學反應能夠復制自己、抵抗各種外部壓力的原因是巧妙地把一系列化學反應偶聯起來組成一個遠離化學平衡的系統。封閉體系的化學反應最終會達到化學平衡,從生物學角度看這相當于死亡。利用外部能量和物質維持遠離化學平衡的有序行為是生命的特征之一。
        Whitesides用一個四組分的簡單化學體系(都是常見化工原料)和一個流動供料系統制造了一個可控的有序體系,這個體系可以自催化復制某類分子、自己定時何時開始生產產物。根據供料速度這個體系可以顯示一些生命過程的特征,如雙穩定性和持續搖擺輸出產物。這離把雞湯變成活雞還差很遠,但是關鍵的第一步。
        硫酯是生物過程常見的物種。這類研究不僅可能解決生命起源這類學術問題,而且有朝一日可能會幫助藥物研究。現在的靶點選擇通常是通過敲除某個基因觀測生物體性質變化,而我們對生物體的設計原理還幾乎一無所知。這如同在不知飛機設計原理的情況下一次取下一個零件然后觀察飛機的飛行性能,我估計飛機檢修不是這個做法,因為我們知道飛機的設計原理。同樣如果我們知道最雛形生物功能如免疫反應的化學基礎,或許我們治療疾病會采取完全不同的策略。
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