馬斯克就算能征服火星也不能征服基因
“川建國”特朗普同志是全世界的懂王,他“懂”得略顯幽默,宜喜宜嗔,略顯憨態。“鋼鐵俠”埃隆·馬斯克是最硬核的懂王,他的“懂”帶著二元對立的氣息,有一種文學結構的美感,虛實結合,錯位打法。文字的摩天大樓矗立在0和1的排列組合之間,壓頂而來氣勢讓你不得不強撐著僵硬的頸部關節仰視真神。
作者/華北佛樓蜜
Twitter是屬於他的“《科技簡史》”,那是被信徒們奉座上賓的智慧之書,地球之鹽。照見五蘊皆空,渡一切韭菜。
不知道馬斯克和擁躉們是誰成就了誰,這篇文章裡也不多做討論。但是目前想討論的,是他的腦機接口公司Neuralink計劃要用基因技術復活“恐龍”,在15年內現實版《侏羅紀公園》這件事。
想說的也很簡單,請馬斯克及其團隊放過恐龍,也放過基因編輯技術吧。
It’s impossible
4月,Neuralink公司聯合創始人馬克斯·霍達克近日宣稱,15年內可以育種和基因改良產生“超級外來物種”——恐龍,科幻電影中的侏羅紀公園指日可待。
同日,馬克斯·霍達克又解釋稱,此恐龍非彼恐龍,而是將恐龍基因融合至現有物種中,創造一個“新物種”,隨後即遭到評論質疑。
然而,五月這位聯合創始人宣布,目前自己已從Neuralink公司離職,並且稱未來方向不是侏羅紀公園。
看到這一新聞,我只有一個問題,請問這麼做的意義是什麼?
是通過操縱技術滿足好奇心去製造充斥著“組裝新物種”、供人類消遣的樂園嗎?就像《美國恐怖故事裡》的畸形秀一樣;還是作為一個腦科學公司,Neuralink已經厭倦了解密大腦這一本職工作,轉頭對保護物種多樣性上有了興趣?
這些問題我們不得而知,但是已知的是,馬克斯·霍達克想挑戰現存規律。
生物書第一次委我們揭開了有關基因的科學面紗。基因是由DNA這一雙螺旋結構組成,鹼基對(ATGC)是DNA的基本組成單位。
根據2012年一項遺傳學研究,DNA大分子結構的平均半衰期僅521年。這意味著,即便某生物死後,遺骸沒有腐爛,而是獲得了妥善保存,它的DNA大分子結構每過521年也起碼會有一半的鏈接會斷開。
這一研究來自於在某氣溫穩定在13.1℃的地區,出土的158塊恐鳥(一種已經滅絕的巨型鳥類)骨骼遺骸。根據碳12同位素分析,這堆遺骸的平均年限在600~8000年之間。也就是說,Neuralink根本無法提取完整的恐龍基因,因為DNA早已消解了。
“天才都擅長臆想”,愛迪生也曾這樣形容過他眼中的天才,如今,臆想常被稱為腦洞。
毋需質疑,馬斯克及其合作夥伴的都是頂尖的“開腦洞一級表演藝術家”。其中,部分腦洞已經從意識形態走向物質世界。
但關於人體的密碼——基因,商科出身的物理大神馬斯克可能也得再花點時間了解。
人類的基因組是由大約31.6億個DNA鹼基對,組成約2.1萬個基因。這2.1萬餘個基因,最後又構成了23對染色體。這23條染色體,這便是人的“圖紙”。自卵細胞授精後,每個人在母胎中都是按照這張“圖紙”來發育和生長的。在人類離開母體後,身體對於各種損傷的修復,也依據這張“圖紙”來完成。
為了探索這張圖紙。人類基因組計劃(The Human Genome Project,HGP)在1990年正式啟動,美國、英國、法國、德國、日本和中國科學家共同參與了這一預算達30億美元的人類基因組計劃。
按照這個計劃的設想,在2005年,要把人體內約2.5萬個基因的密碼全部解開,同時繪製出人類基因的圖譜。換句話說,就是要揭開組成人體2.5萬個基因的30億個鹼基對的秘密。
到2000年6月26日,人類基因組草圖的繪製工作已經完成。最終完成圖要求測序所用的克隆能忠實地代表常染色體的基因組結構,序列錯誤率低於萬分之一。截止到2003年4月14日,人類基因組計劃的測序工作已經完成,該計劃歷時約13年,耗資達30億美元。
如今十八年過去了,我們仍然只能探索單個基因在疾病和人類發育過程中可能扮演的角色,但猶如多米諾骨牌一樣,這背後的聯合效應猶未可知。
為什麼人類共享一套基因組,但外在表徵卻不盡相同?為什麼都是從胚胎細胞出發,各種細胞,器官及組織的分化儼然如一個毫釐不差的精密機器?為什麼基因點位的突變會為人類帶來疾病,相同的疾病背後又有怎樣的關聯性?
現在的科學界給不出答案。
所以說,馬斯克的同僚們提到的複活“恐龍新物種”,單純就是一個不用考慮可實施性的想法。這樣的腦洞,普通人也可以提出1到2個,但對於合理評估和看待基因編輯技術的發展而言,這樣的腦洞是不負責任的。
真正的基因編輯技術走到哪裡了?
實幹派不醉心於成為意見領袖,在許多科學家的共同努力下,基因編輯技術離人們生活並不遙遠。
當患者身體出現炎症時,醫生常會開一種藥物——青黴素注射液。
這一如今司空見慣的廣譜抗生素在80年前價比黃金。在半個多世紀裡,人們利用各種傳統的遺傳學方法對產生青黴素的菌種進行大量的改造,不斷改進培養基和發酵條件,不斷地完善發酵設備及有關設備,對發酵工藝控制等方面作了大量工作,使青黴素的生產水平不斷提高。
特別是進十年來,人們對青黴素在微生物中的合成路線和相關的代謝途徑進行了全面研究,發現了控制和調節青黴素合成和代謝的許多“閥門”,人們利用各種手段來調節和控制這些“閥門”,使微生物按著人們要求的青黴素合成路線大量地生產青黴素。
基因編輯在其中起到了大作用,科學家正是利用基因工程將青黴素生物合成過程中起“開關”或“閥門”作用的關鍵酶的基因克隆到生產菌種中,加大對青黴素合成路線的控制力度,即進行代謝調控,控制發酵過程盡可能的利用原材料,減少副產物的產生。
簡單來說,通過基因編輯技術,可以給細菌插入幾段基因,這些基因可以讓細菌擁有生成青黴素的能力,我們只需要提供其生長需要的營養物質和環境,就能讓細菌吃的是“草”,擠出的是“奶”。
利用酵母細胞生產青黴素的過程
這讓80年前的液體黃金,如今的價格不過10元上下。這項技術被歸類於一門學科“合成生物學”。通過對細胞菌落進行基因編輯,我們甚至可以實現讓其生產石油等能源、青蒿素、大麻二酚等化工物品、還可以生產PHA等可降解塑料。
除了在細菌層面的應用,我們還可以改良編輯動植物的基因,讓他具備自動驅蟲的能力。遠沒有“復活恐龍”看起來炫酷,但這是基因編輯實打實在生活中應用。
除了在合成生物學上下文章,基因編輯技術已經逐漸發展為一種新興療法,業內將其歸納總結為細胞及基因療法。
細胞療法就是以細胞為載體,通過基因編輯工具的改良讓其具備治療疾病的能力。而基因療法則越過了細胞,期望直接在基因層面操作。
在單基因誘導的遺傳疾病中,例如先天性耳聾,失明、血友病,地中海貧血症等,都可以通過基因編輯工具對治病基因展開改造。
工具成為了治療疾病的敲門磚,也決定了基因編輯可觸及的邊界。即便上述的目的均已達到,但在大量領域,基因編輯仍未擁有姓名。
馬克斯·霍達克談及的新物種恐龍復活就是其中一片無人之地,這由基因編輯工具的發展決定。
工具的藝術
工欲善其事,必先利其器。
基因作為一個精密運轉的機器,精準運行是大前提,突變可能會誘導更大得問題。
以癌症為例,細胞之所以會發生癌變,就是由於基因的異常突變給了組織器官細胞異常增殖的能力。
人為乾預是為了解決問題,而不是製造問題,因此,我們對基因編輯工具精度有較高的要求。
幾十年間,基因編輯工具幾經迭代,從重組核酸酶介導的基因編輯技術到TALENs技術,再到因諾貝爾大受關注的CRISPR/Cas9基因編輯技術,精度的遞進是工具革命的主命題。
ZFN、TALEN及CRISPR/Cas9基因編輯技術:(a)鋅指核酸酶(ZFN)基因編輯技術;(b)TALEN基因編輯技術;(c)CRISPR/Cas9基因編輯技術
如果用一句話概括基因編劇工具的主要目標,那就是先破壞,再修護。
作為一種常見的分子生物學事件,在分裂活躍的哺乳動物細胞中,DNA雙鏈斷裂(DNA double-strand breaks,DSBs)每天會發生。然而,在真核生物細胞裡面,通過自發雙鏈斷裂實現目的基因編輯的概率通常低至百萬分之一。
同時,DSBs發生後細胞可以通過多種方式進行修復,但都會導致一定程度的遺傳信息丟失。
基於這一原理,我們可以主動觸發斷裂過程,再提供特定的鹼基或DNA片段,就有機會把特定DNA序列刪除或插入。
人為使用化學誘導劑或者輻射處理等方法,或者使用轉座子技術也可以實現基因的突變,但是這些突變是隨機的,需要後續進行大量的篩選工作來獲得所需的基因型。
定點基因編輯因此成為基因功能研究和物種定向改造的優選策略。
但橫向對比上述三種基因編輯工具,都有各自的問題無法跨越。
鋅指核酸酶技術(zinc finger nucleases,ZFNs)從2001年開始被陸續用於不同物種的基因編輯,但除了高成本之外,編輯點位比較單一也成為其阿克琉斯之踵。
TALENs雖然能夠實現更大範圍的編輯,但由於其自身體積太大,而且又較多的重複序列,讓編碼基因更加困難。
CRISPR/Cas9的出現一定程度上緩解了上述問題,它可以針對單一鹼基,實現精準編輯,研究顯示,CRISPR/Cas9在細胞系中基因編輯的脫靶效率最高可以降低近4個數量級。
在體內基因編輯即治療過程中,CRISPR/Cas9的遞送再次科學家和企業的另一道必答難題。如今,這道難題的階段性答案是“腺相關病毒載體(AAV)”,它像一個列車,可以將基因編輯功能工具有效運送到目的地(待編輯的基因位點)。
基因編輯治療手段簡圖
可惜,AAV也有缺點。目前,其劑量過高導致的毒性問題已經在去年讓5名患者失去生命,過小的自身體積也讓它無法完全包裹CRISPR/Cas9。
這讓遞送環節的瓶頸成為了基因治療商業化的最大難題之一。
遞送系統的開發、工具的不斷優化和對疾病機理的探索,這個三個因素是基因編輯發展的三駕馬車,環環相扣,缺一不可。
因此,當我們在回過頭來看待“復活恐龍”這個腦洞,就會清晰的認識到真實世界不是網絡,在認可馬斯克和他的朋友們之前,認識現實是一個理性人應該具備的優秀品質。
面對電車和火箭,他們是思想上的巨人。但面對基因的秘密,全人類都沒有話語權,至少目前是這樣。