[目錄]

前 言 我的“薛定諤演講”

引 言 合成生命時代向我們走來
/001

薛定諤認為,生命現像一定能通過物理學和化學來解
釋,染色體一定包含了“很多種能夠決定個體未來發
展的完整模式的密碼本”。1953 年,沃森和克裡克發現了
DNA 雙螺旋結構,這標志著人類邁出了重要一步;
2010 年,文特爾利用合成 DNA 創造了個“人造細
胞”,這預示著合成生命時代向我們走來。

部分 生命是什麼

01  “合成生命”是可能的嗎? /013

德國化學家維勒通過化學方法合成尿素,雖然並未對 “活力論”造成實質性影響,卻吹響了反擊的號角。我們需要做的就是用化學物質創造出一個人造生命。 當我們創造個合成細胞時,我們在某種意義上“扮 演了上帝的角色”。

合成尿素,一個對神秘生命力說“不”的故事

形形色色的“活力論”

馮 ·
諾依曼的“細胞自動機”

合成生命時代的到來

02 數字生命的曙光 /037

我們原以為,DNA 過於簡單,不可能攜帶遺傳信息, 隻有蛋白質纔能在細胞分裂時將足夠多的信息從一個 細胞傳遞給另一個細胞。但實際上,正是 DNA 這個生 命的軟件,管理著我們的細胞。限制性內切酶的發現 和基因拼接技術的出現,為分子生物學的蓬勃發展奠 定了堅實基礎。

遺傳物質:蛋白質,還是 DNA ?

分子生物學的興起

蛋白質:生命的硬件

布朗運動:生命的驅動力

第二部分 生命的合成

03  解碼生命,從基因測序開始 /067

 噬菌體phiX 174 的基因測序初是用“桑格測序法”完成的。不過,桑格測序法速度慢,測序難度大。20 世 紀 90 年代,文特爾利用獨創的“全基因組霰彈測序法” 快速完成了流感嗜血杆菌和生殖支原體的基因組測序。此時,一個更大的難題擺在人們面前:怎樣合成一個 完整的基因組?

桑格測序法

全基因組霰彈測序法

小基因集

新挑戰:完整基因組的合成

04 噬菌體phi X174的合成
/087

20 世紀
60 年代,阿瑟·科恩伯格利用 DNA 聚合酶在實驗室成功復制了 phi X174 噬菌體的基因組並成功激 活。那時,基因測序技術還未出現。phi X174 也成了文 特爾個 DNA 合成的目標。實驗表明,包含 5
384 個堿基對的 phi
X174 合成 DNA,在進入大腸杆菌後,能 夠感染、復制,並且殺死大腸杆菌的細胞。人工合成 病毒取得了成功!

科恩伯格,探索生命奧秘的先鋒

精度,合成基因組的關鍵

大功告成:個合成傳染性病毒 phi X174 誕生

倫理問題

05 個基因組的合成 /113

文特爾把個合成基因組的目標瞄向了生殖支原體。這種生命體的基因組擁有
582 970 個堿基對,合成的 精確度要求是每 10 萬個堿基對中的錯誤少於一個。完 整基因組的組裝是在酵母細胞中進行的。實驗證明, 有 17
個細胞包含了完整的生殖支原體基因組,甚至連 插入的水印“文特爾研究所”都清晰可見!

目標:合成 582
970 個堿基對

準備高精度的 DNA 序列數據

合成基因組的組裝

重大突破:個合成支原體誕生

06 把一個物種轉變為另一個物種 /131

為了向“合成生命”再邁進一步,文特爾決定將絲狀支原體的基因組向山羊支原體移植。對“藍色菌落”的測 序結果表明,所有的序列都隻與移植到受體細胞的絲狀 支原體基因組相匹配,文特爾和他的團隊成功地實現了整個基因組的移植,完成了“不可能完成的任務”。

 歷史上的細胞核移植

 基因組移植:從絲狀支原體到山羊支原體

 藍色菌落,移植成功的重要標志

“不可能完成的任務”:改變物種!

07 個人造細胞的誕生 /149

若想創造出一個“合成生命”,必須解決兩大難題。一個難題 是宿主細胞中的限制性內切酶會摧毀被移植的基因組;另一 個難題是生命對合成基因組的精度要求非常高。“甲基化”和 高精度“桑格測序法”,讓兩大難題迎刃而解。培養皿中的“藍 色菌落”宣告了個人造細胞的誕生!正是因為這一成果, 人們稱文特爾為“人造生命”之父。

無法繞過的兩個難題

甲基化,合成基因組移植的關鍵

生死之間:一個堿基對的對錯

奇跡出現:個有生命的合成細胞

第三部分 生命的未來

08 “合成生命”究竟意味著什麼? /171

關於什麼是“合成生命”,什麼是“合成細胞”,文特爾給出 了他的定義:這些細胞是完全由人工合成的 DNA 染色體所控制的。由於合成基因組既需要使用一個已存在的基因組,還需要使用一個自然受體細胞,因此,“合成生命”不能算是“從 頭到尾”的真正合成。創造一個“通用受體細胞”,成為擺在科學家面前的一個新課題。

什麼叫“合成生命”

有個“通用受體細胞”就好了

新探索:細胞間的合作

09 設計生命 /187

未來,在創造真實的細胞之前,我們可以先設計一個 虛擬細胞,用它來對我們的設想進行檢驗。國際基因工程機器設計大賽(iGEM)吸引了無數纔華橫溢的年輕人參與 “操控生命的軟件”的實踐活動。這些來自實踐的真知,提高了我們設計基因組的能力,進一步加快了我們合成新生命的進程。

生命的計算機建模

 iGEM 大賽

安全與倫理

10 造福人類的“生命瞬間轉移”
/213

文特爾正在完善一種技術,它可以讓我們以電磁波的形式發送數字化的 DNA 密碼,然後在一個遙遠的地方 用一種獨特的方法來接收這些數字化的 DNA 密碼,從 而重新創造生命。從目前來看,“生命瞬間轉移”技術 的應用,可能是流感大暴發時的疫苗分發,或者用噬菌體療法對付“超級細菌”。

瞬間轉移,人類永恆的夢想

快速提供疫苗

快速提供噬菌體

結語 隻需4.3分鐘傳回基因信息，我們就能重造火星人／237

假設火星上的生命與地球上的生命都是基於 DNA 的, 假設火星有生命或者曾經有過生命,假設火星上有一 個基因測序設備,可以讀取任何有可能存在於那裡的“火星人”的 DNA 序列,那麼,隻需要 4.3 分鐘把“火星人” 的基因序列發送回地球,我們就可以在地球上的實驗室裡重 造“火星人”!

譯者後記 /249 

[各方贊譽]

克雷格·文特爾（J Craig Venter），發明了先進的“霰彈測序法”，創造了*個真正合成意義的人造生命。從人類基因組測序的先驅之一，到合成生命*人，在他那一繫列幾乎令人眼花繚亂有些甚至是跨領域的不懈探索和巨大成就中，領軍其中任何一項就是了不起的科學家了。他一次次特立獨行的壯舉讓他有了“測序狂人”“科學狂人”的雅號。《生命的未來》這本書又把我們引至激動人心的合成生物學前沿。

曾長青

中國科學院北京基因組研究所研究員

中國科學院精準基因組醫學重點實驗室主任

薛定諤的《生命是什麼》影響了一代又一代生物學家，並開啟了生物學新時代。克雷格·文特爾追隨薛定諤的腳步，在破譯生命密碼方面更進一步，他創造的*個“人造細胞”震驚了世界！我希望，對生命奧秘的探索，既能造福人類，又能幫助我們探知無邊的宇宙。

劉慈欣 

著名科幻小說作家 暢銷書《三體》作者

孩子都會拆鬧鐘，但隻有能拼回去的時候纔算真正理解了它的運作原理。人類拆開生命已經有漫長的歷史，但文特爾也許將是*個把它拼回去的人！

姬十三 

果殼網、在行創始人

*次“結識”克雷格·文特爾是在大約10年前的法國戴高樂機場。《時代周刊》的封面人物似乎在對視著上帝，標題是《玩弄上帝？》。從那時起，我開始追蹤這個爭議*、也*傳奇色彩的科學家
，他的新書《生命的未來》詳細論述了生命科學的基本原理，更重要的是，讀者可以了解當今科學跨學科的融合：物理、化學、生物學以及天文學之間密不可分的關繫。看完後，你一定會想：如果文特爾有一天獲得諾貝爾獎，會是哪個領域的呢？

李大光 

中國科學院大學人文學院科學傳播教授

國際科學素養促進中心中國研究中心主任

克雷格·文特爾是一位出類撥萃的科學家，他的《生命的未來》不但清晰地勾畫了分子生物學的發展史，也展示了他和他的團隊在
“合成生命”領域的卓越成就。這是繼詹姆斯·沃森的《雙螺旋》之後，生物學領域的又一部傑作！

愛德華·威爾遜 

                                           哈佛大學教授，

“社會生物學”之父

“普利策獎”獲獎圖書《論人性》《螞蟻》作者

人類正在經歷一個重大轉折點，因為克雷格·文特爾根據計算機設計的合成DNA創造出了新生命！《生命的未來》這本書講述的就是“奇點”到來之時DNA信息和計算機如何有機結合的有趣故事，不但震撼力十足，也極具說服力。人類進化一旦經過“奇點”，生命、社會以及我們關心的一切，都可能有令人震驚的事情發生。

雷·庫茲韋爾 

                                           奇點大學校長，

谷歌公司工程總監

《人工智能的未來》《奇點臨近》作者

下一次科技產業革命將發生在生命科學領域。

彼得·蒂爾 

暢銷書《從0到1》作者 

[精彩樣章]

我的“薛定諤演講”

        2012 年 7 月 12 日,我應聖三一學院的邀請到都柏林發表演講,這次演 講時值著名物理學家、諾貝爾獎得主薛定諤初次發表他的《生命是什麼》繫 列演講整整 70
年之後。主辦者要求我再次論述薛定諤當初提出的偉大主題, 並且希望我在現代科學的基礎上,就有關“生命的定義”這一深奧的問題提 出新的洞見和答案。顯而易見,對於這個問題,幾乎每個人都非常有興趣, 個中原因可謂不言自明。我本人也不例外,不過我還有一些個人的原因。我 年輕時曾在越南當過醫護兵,在那個時候,我無比驚異地發現,“有生命的” 與“無生命的”兩者之間的區別竟是如此的微妙:一張小小的紙巾就能把活 著的、有呼吸的人與死人區分出來;甚至在良好的醫療護理下,存活下去的
可能性也仍然部分依賴於病人積極向上的思想和樂觀開朗的心態。這就證明,
高度的復雜性源於活細胞的組合。

        在一個美好的星期四晚上,時間是下午 4
:30,得益於數十年來分子生 物學的發展,我終於走上了薛定諤曾經站過的那個講臺。像他一樣,我也是 在愛爾蘭總統面前發表演講的。不同的是,現在這個禮堂已經成了聖三一學院的考試大廳,但是講臺仍然是那個無與倫比的講臺。在巨大的枝形 弔燈的照射下,站在威廉 · 莫利紐茲(William Molyneux)和喬納森 · 斯威夫 特(Jonathan
Swift)等人的肖像畫下面,我注視著講臺下 400
位聽眾,所有 人的臉上都浮現出翹首以待的表情;數不盡的式樣各異的攝像機閃耀著令人 眩目的亮光。當然,我還知道,與薛定諤當初發表演講時不一樣的是,我這 個演講將會被錄音、被現場實況轉播、被寫進博客,還將會在 Twitter
上被大 量推送,盡管我所要回答的問題,就是我的前輩們已經付出過許多努力試圖 給出答案的那同一個問題。

        在演講開始後的 60 分鐘時間裡,我向聽眾詳細地解釋了 DNA
是如何驅 動生物機器運行並終組成生命的。所有活的細胞都在運行著 DNA 這個“軟 件”,它指揮著成千上萬個“蛋白質機器人”。自從我們人類次搞清楚如 何通過對 DNA
進行排序來解讀這個“生命的軟件”以來,我們對生命進行數 字化操作的歷史已經有幾十年了。現在,我們可以從計算機數字代碼出發, 走到另一個方向,即我們能夠設計出一種新的生命形式,用化學的方法合成 它的 DNA,然後用它來“生產制造”出實實在在的生命有機體。這是因為, 我們現在可以對所有的信息進行數字化處理,並且能夠將它們以光的速度發 送到任何地方,並且終能夠重組 DNA,再造生命。坐在愛爾蘭總統恩達 · 肯 尼(Enda
Kenny)旁邊的是詹姆斯 · 沃森 ,沃森一直自稱是我的老牌競爭對 手。在我的演講結束之後,沃森走上講臺,握著我的手,大方地祝賀我發表 了“一個非常美妙的演講”。

        《生命的未來》這本書的部分內容就是在聖三一學院演講的基礎上寫成的。 本書的宗旨是,將我們現在已經取得的令人難以置信的進展描述清楚。自薛定諤發表《生命是什麼》繫列演講到現在,纔過了 70
多年,說起來這隻不 過相當於一個人的生命周期。但是在這段時間裡,我們確實已經取得了極大 的進展。從薛定諤的“非周期性晶體”(aperiodic crystal)到對遺傳密碼的正 確理解,再到個合成染色體的成功構造,又到制造出個人造細胞, 從而終證明 DNA
就是生命的“軟件”,這些偉大成就是建立在過去半個多 世紀以來的各項巨大進展的基礎之上的,也是來自世界各地的許多傑出科學 家在各自的實驗室裡不斷努力的共同成果。

        在本書中,我將對分子和合成生物學領域中的進展進行一個綜述,一方 面是對這個史詩般的事業和成就的致敬,另一方面是對那些為這個偉大事業 做出傑出貢獻的無數重要科學家的致謝。當然,我的目的並不是對合成生物 學的發展歷史做一個全面、完整的描述,而是希望借此闡明,被我們稱為“科 學”的這項事業,它的力量固然無比巨大,但是它也極其需要所有人齊心協 力進行合作。

        現在,作為數字化信息的 DNA
不僅能夠在計算機數據庫中實現不斷的 積累,而且能夠通過生物傳送器以一種電磁波的 形式以光速或者接近光速進行傳輸,從而在一個 遙遠的地方重新創造出蛋白質、病毒和活的細胞,
或許這將永遠地改變我們對生命的看法。隨著這 個對生命的全新理解以及我們駕馭生命的能力的 逐步擴展,我們有力地敲開了一扇全新的蘊含著無限可能性的大門。這是極其激動人心的。