張鋒

一個生物學大發(fā)現(xiàn)的時代有望到來

在現(xiàn)代科學的時代，幾乎每周都會有生物學方面的重大進步。雖然2018年這種進步將會繼續(xù)下去，卻不能治愈癌癥、老年癡呆癥或研發(fā)出緩解衰老的藥物。這是因為生物學這個領域的重點仍然是探索，而非改變基因結構。

上個世紀最偉大的一些科學成就就是科學和工程學的結晶，從阿波羅探月到大型強子對撞機都是如此。同樣，人類基因組計劃既需要基礎研究，也需要技術發(fā)展。這些成就的核心是數學、工程、材料和計算機科學，它們推動了科技經濟的發(fā)展，催生了當今世界幾乎所有最具統(tǒng)治力的企業(yè)。

然而與此同時，生物學在很大程度上仍然是在做實驗，看看改變各種參數會發(fā)生什么。生物學家從事的是重要而艱難的工作，為生命有機體的基本原理提供關鍵洞見。但是，隨著新的研究工具的誕生，人類可以越來越高的分辨率來認識生物世界，傳統(tǒng)研究方法所能產生的知識已接近極限。

最主要的一個限制是生命需要固有的復雜性。2016年，科學家們向全世界公布，他們創(chuàng)建出了最小的合成細菌基因組，僅包含473個基因（作為對比，人類基因組包含約2萬個基因）。在這473個基因中，149個“功能未知”，但缺少其中任何一個都是致命的。即使在一個受控制的實驗室環(huán)境中，按照最簡單的一套指令來創(chuàng)建一個有生命的有機體，指令中近三分之一的內容都仍然是謎。

在經典的遺傳學和分子生物學中，要弄清楚一個基因的功能，通常的方法是破壞這個基因，然后研究過程中出了什么問題。這種方法帶來對生物學飛躍性的認識，揭示了致癌基因（突變后可導致癌癥），發(fā)現(xiàn)了在有機體發(fā)育過程中參與構建有機體結構的蛋白質網絡等。這種類型的工作基于喬治·比德爾（George Beadle）1941年提出的一個生物學原理，即每一個基因都含有一個蛋白質的指令。雖然這在很大程度上是正確的，但是蛋白質經常組成龐大的復合體共同發(fā)揮作用，混淆了這種一一對應的關系。因此有必要以組合方式探索基因的功能。利用經典工具，對人工合成的最小基因組中的149個功能未知的基因展開這項工作任務艱巨，用這種方法研究人類基因組則更是不可能的。

然而，利用加速生物學讀寫過程的新技術，科學家現(xiàn)在可以更大規(guī)模地探究基因的功能。隨著基因功能相關數據的不斷積累，這些信息可以指導對基因組合的研究，大大降低問題的復雜程度。

目前已經形成了一些聯(lián)合機構在開展大規(guī)模實驗，以滿足人類基因組調節(jié)因子編目、繪制所有類型的人類細胞、列出人類基因組中發(fā)現(xiàn)的所有變異以及創(chuàng)建大腦中所有連接的電路圖的需要。所有實驗數據都可以反饋到研究項目中，這些項目的重點，在于理解在特定情況下（如疾病或衰老）個體或相關基因組的功能。

意料之內的意料之外

這種基礎研究對提高我們對生物世界的理解是必要的?？茖W家在好奇心的驅使下探索著分子世界，像發(fā)明家一樣想知道其中的運作原理。正因為生物學還不是一門工程學科，所以必須對他們的工作予以支持。歷史上這種不斷的探索帶來了眾多意想不到的發(fā)現(xiàn)和意料之外的應用，最近的一個例子是將微生物CRISPR-Cas系統(tǒng)發(fā)展成基因組工程的工具。

基礎研究也為新的疾病療法、農業(yè)和新型生物技術的改進提供了動力，反過來又促進了生物技術的繁榮。推動生命科學經濟的不僅僅是生物學的發(fā)現(xiàn)，軟件、硬件、材料科學和工程領域的相關發(fā)展也有所貢獻。高端人才的機遇正在超越學術界，進入生物技術初創(chuàng)公司、法律和投資領域。但所有這些進步都是建立在基礎研究成果的基礎之上，以及來自公共和私營部門的資金，否則泉涌般的發(fā)現(xiàn)就會枯竭。

擁有大量信息之后，我們是否可以設計出一個合成的最小基因組，通過選擇，讓每個基因都發(fā)揮特定的功能？我們是否可以治愈癌癥或減緩衰老？也許可以，但是更有趣的可能是探索過程中偶然發(fā)生的目前仍無法想象的發(fā)現(xiàn)。

（翻譯：張凌，審譯：康娟）endprint