● 这是一本详细论述生命科学的基本原理的杰出著作，全景展示了分子生物学的历史沿革和未来发展方向。更重要的是，读者可以从中了解当今科学跨学科的融合：物理、化学、生物学以及天文学之间密不可分的关系。
● 21世纪，是生命科学大发展的时代，下一次科技产业革命必将发生在生命科学领域！人类正在经历一个重大转折点，本书讲述的就是“奇点”到来之时DNA信息和计算机如何有机结合的有趣故事，不但震撼力十足，也极具说服力。人类进化一旦经过“奇点”，生命、社会以及我们关心的一切，都可能有令人震惊的事情发生。
● 中国科学院北京基因组研究所研究员、中国科学院精准基因组医学重点实验室主任曾长青、著名科幻小说作家 畅销书《三体》作者刘慈欣，果壳网、在行创始人姬十三，中国科学院大学人文学院科学传播教授李大光，“社会生物学之父”爱德华·威尔逊，奇点大学校长 《人工智能的未来》作者，雷·库兹韦尔 畅销书《从0到1》作者彼得·蒂尔联袂推荐
● 湛庐文化出品。
● 70年前，诺贝尔物理学奖得主薛定谔提出了著名的“薛定谔之问”——生命是什么。70年后，“人造生命之父”克雷格•文特尔通过合成“人造细胞”的方式给出了完美的解答。
● 从解码生命、开创全基因组霰弹测序法到合成噬菌体phi X174，从合成完整的基因组，到把一个物种转变为另一个物种，后来到合成人造细胞，文特尔和他的团队完成了一个又一个“不可能完成的任务”，他们在某种意义上，“扮演了上帝的角色”。
● 假设火星上的生命与地球上的生命都是基于 DNA 的, 假设火星有生命或者曾经有过生命,假设火星上有一 个基因测序设备,可以读取任何有可能存在于那里的“火星人”的 DNA 序列,那么,只需要 4.3 分钟把“火星人” 的基因序列发送回地球,我们就可以在地球上的实验室里重造“火星人”！生命的未来值得我们每一个人期待，不是吗？
我的“薛定谔演讲”
2012年7月12日,我应圣三一学院的邀请到都柏林发表演讲,这次演讲时值著名物理学家、诺贝尔奖得主薛定谔初次发表他的《生命是什么》系列演讲整整70年之后。主办者要求我再次论述薛定谔当初提出的伟大主题,并且希望我在现代科学的基础上,就有关“生命的定义”这一深奥的问题提 出新的洞见和答案。显而易见,对于这个问题,几乎每个人都非常有兴趣,个中原因可谓不言自明。我本人也不例外,不过我还有一些个人的原因。我 年轻时曾在越南当过医护兵,在那个时候,我无比惊异地发现,“有生命的”与“无生命的”两者之间的区别竟是如此的微妙:一张小小的纸巾就能把活着的、有呼吸的人与死人区分出来;甚至在良好的医疗护理下,存活下去的可能性也仍然部分依赖于病人积极向上的思想和乐观开朗的心态。这就证明,高度的复杂性源于活细胞的组合。
在一个美好的星期四晚上,时间是下午4 :30,得益于数十年来分子生物学的发展,我终于走上了薛定谔曾经站过的那个讲台。像他一样,我也是在爱尔兰总统面前发表演讲的。唯一不同的是,现在这个礼堂已经成了圣三一学院的考试大厅,但是讲台仍然是那个无与伦比的讲台。在巨大的枝形吊灯的照射下,站在威廉 · 莫利纽兹(William Molyneux)和乔纳森· 斯威夫特(Jonathan Swift)等人的肖像画下面,我注视着讲台下400位听众,所有人的脸上都浮现出翘首以待的表情;数不尽的式样各异的摄像机闪耀着令人眩目的亮光。当然,我还知道,与薛定谔当初发表演讲时不一样的是,我这 个演讲将会被录音、被现场实况转播、被写进博客,还将会在Twitter上被大量推送,尽管我所要回答的问题,就是我的前辈们已经付出过许多努力试图给出答案的那同一个问题。
在演讲开始后的60分钟时间里,我向听众详细地解释了DNA是如何驱动生物机器运行并最终组成生命的。所有活的细胞都在运行着DNA这个“软件”,它指挥着成千上万个“蛋白质机器人”。自从我们人类第一次搞清楚如何通过对DNA进行排序来解读这个“生命的软件”以来,我们对生命进行数字化操作的历史已经有几十年了。现在,我们可以从计算机数字代码出发,走到另一个方向,即我们能够设计出一种新的生命形式,用化学的方法合成它的DNA,然后用它来“生产制造”出实实在在的生命有机体。这是因为, 我们现在可以对所有的信息进行数字化处理,并且能够将它们以光的速度发 送到任何地方,并且最终能够重组 DNA,再造生命。坐在爱尔兰总统达 ·肯尼(Enda Kenny)旁边的是詹姆斯· 沃森 ,沃森一直自称是我的老牌竞争对手。在我的演讲结束之后,沃森走上讲台,握着我的手,大方地祝贺我发表了“一个非常美妙的演讲”。
《生命的未来》这本书的部分内容就是在圣三一学院演讲的基础上写成的。本书的宗旨是,将我们现在已经取得的令人难以置信的进展描述清楚。自薛定谔发表《生命是什么》系列演讲到现在,才过了70多年,说起来这只不过相当于一个人的生命周期。但是在这段时间里,我们确实已经取得了极大的进展。从薛定谔的“非周期性晶体”(aperiodic crystal)到对遗传密码的正 确理解,再到第一个合成染色体的成功构造,又到制造出第一个人造细胞,从而最终证明DNA就是生命的“软件”,这些伟大成就是建立在过去半个多 世纪以来的各项巨大进展的基础之上的,也是来自世界各地的许多杰出科学家在各自的实验室里不断努力的共同成果。
在本书中,我将对分子和合成生物学领域中的进展进行一个综述,一方面是对这个史诗般的事业和成就的致敬,另一方面是对那些为这个伟大事业 做出杰出贡献的无数重要科学家的致谢。当然,我的目的并不是对合成生物学的发展历史做一个全面、完整的描述,而是希望借此阐明,被我们称为“科学”的这项事业,它的力量固然无比巨大,但是它也极其需要所有人齐心协力进行合作。
现在,作为数字化信息的DNA不仅能够在计算机数据库中实现不断的 积累,而且能够通过生物传送器以一种电磁波的 形式以光速或者接近光速进行传输,从而在一个遥远的地方重新创造出蛋白质、病毒和活的细胞,或许这将永远地改变我们对生命的看法。随着这个对生命的全新理解以及我们驾驭生命的能力的逐步扩展,我们有力地敲开了一扇全新的蕴含着无限可能性的大门。这是极其激动人心的。
随着工业化时代接近尾声,我们有幸见证了“生物设计时代”的来临。人类即将进入一个全新的演化阶段。
前 言 我的“薛定谔演讲”
引 言 合成生命时代向我们走来 /001
薛定谔认为,生命现象一定能通过物理学和化学来解 释,染色体一定包含了“很多种能够决定个体未来发 展的完整模式的密码本”。1953 年,沃森和克里克发现了 DNA 双螺旋结构,这标志着人类迈出了重要一步; 2010 年,文特尔利用合成 DNA 创造了第一个“人造细 胞”,这预示着合成生命时代向我们走来。
第一部分 生命是什么
01 “合成生命”是可能的吗? /013
德国化学家维勒通过化学方法合成尿素,虽然并未对 “活力论”造成实质性影响,却吹响了反击的号角。我们唯一需要做的就是用化学物质创造出一个人造生命。 当我们创造第一个合成细胞时,我们在某种意义上“扮 演了上帝的角色”。
合成尿素,一个对神秘生命力说“不”的故事
形形色色的“活力论”
冯·诺依曼的“细胞自动机”
合成生命时代的到来
02 数字生命的曙光 /037
我们原以为,DNA 过于简单,不可能携带遗传信息, 只有蛋白质才能在细胞分裂时将足够多的信息从一个 细胞传递给另一个细胞。但实际上,正是 DNA 这个生 命的软件,管理着我们的细胞。限制性内切酶的发现 和基因拼接技术的出现,为分子生物学的蓬勃发展奠 定了坚实基础。
遗传物质:蛋白质,还是 DNA ?
分子生物学的兴起
蛋白质:生命的硬件
布朗运动:生命的驱动力
第二部分 生命的合成
03 解码生命,从基因测序开始 /067
噬菌体phiX 174 的基因测序最初是用“桑格测序法”完成的。不过,桑格测序法速度慢,测序难度大。20 世 纪 90 年代,文特尔利用独创的“全基因组霰弹测序法” 快速完成了流感嗜血杆菌和生殖支原体的基因组测序。此时,一个更大的难题摆在人们面前:怎样合成一个 完整的基因组?
桑格测序法
全基因组霰弹测序法
最小基因集
新挑战:完整基因组的合成
04 噬菌体phi X174的合成 /087
20 世纪 60 年代,阿瑟·科恩伯格利用 DNA 聚合酶在实验室成功复制了 phi X174 噬菌体的基因组并成功激 活。那时,基因测序技术还未出现。phi X174 也成了文 特尔第一个 DNA 合成的目标。实验表明,包含 5 384 个碱基对的 phi X174 合成 DNA,在进入大肠杆菌后,能 够感染、复制,并且杀死大肠杆菌的细胞。人工合成 病毒取得了成功!
科恩伯格,探索生命奥秘的先锋
精度,合成基因组的关键
大功告成:第一个合成传染性病毒 phi X174 诞生
伦理问题
05 第一个基因组的合成 /113
文特尔把第一个合成基因组的目标瞄向了生殖支原体。这种生命体的基因组拥有 582 970 个碱基对,合成的 精确度要求是每 10 万个碱基对中的错误少于一个。完 整基因组的组装是在酵母细胞中进行的。实验证明, 有 17 个细胞包含了完整的生殖支原体基因组,甚至连 插入的水印“文特尔研究所”都清晰可见!
目标:合成 582 970 个碱基对
准备高精度的 DNA 序列数据
合成基因组的组装
重大突破:第一个合成支原体诞生
06 把一个物种转变为另一个物种 /131
为了向“合成生命”再迈进一步,文特尔决定将丝状支原体的基因组向山羊支原体移植。对“蓝色菌落”的测 序结果表明,所有的序列都只与移植到受体细胞的丝状 支原体基因组相匹配,文特尔和他的团队成功地实现了整个基因组的移植,完成了“不可能完成的任务”。
历史上的细胞核移植
基因组移植:从丝状支原体到山羊支原体
蓝色菌落,移植成功的重要标志
“不可能完成的任务”:改变物种!
07 第一个人造细胞的诞生 /149
若想创造出一个“合成生命”,必须解决两大难题。一个难题 是宿主细胞中的限制性内切酶会摧毁被移植的基因组;另一 个难题是生命对合成基因组的精度要求非常高。“甲基化”和 高精度“桑格测序法”,让两大难题迎刃而解。培养皿中的“蓝 色菌落”宣告了第一个人造细胞的诞生!正是因为这一成果, 人们称文特尔为“人造生命”之父。
无法绕过的两个难题
甲基化,合成基因组移植的关键
生死之间:一个碱基对的对错
奇迹出现:第一个有生命的合成细胞
第三部分 生命的未来
08 “合成生命”究竟意味着什么? /171
关于什么是“合成生命”,什么是“合成细胞”,文特尔给出 了他的定义:这些细胞是完全由人工合成的 DNA 染色体所控制的。由于合成基因组既需要使用一个已存在的基因组,还需要使用一个自然受体细胞,因此,“合成生命”不能算是“从 头到尾”的真正合成。创造一个“通用受体细胞”,成为摆在科学家面前的一个新课题。
什么叫“合成生命”
有个“通用受体细胞”就好了
新探索:细胞间的合作
09 设计生命 /187
未来,在创造真实的细胞之前,我们可以先设计一个 虚拟细胞,用它来对我们的设想进行检验。国际基因工程机器设计大赛(iGEM)吸引了无数才华横溢的年轻人参与 “操控生命的软件”的实践活动。这些来自实践的真知,提高了我们设计基因组的能力,进一步加快了我们合成新生命的进程。
生命的计算机建模
iGEM 大赛
安全与伦理
10 造福人类的“生命瞬间转移” /213
文特尔正在完善一种技术,它可以让我们以电磁波的形式发送数字化的 DNA 密码,然后在一个遥远的地方 用一种独特的方法来接收这些数字化的 DNA 密码,从 而重新创造生命。从目前来看,“生命瞬间转移”技术 的最新应用,可能是流感大暴发时的疫苗分发,或者用噬菌体疗法对付“超级细菌”。
瞬间转移,人类永恒的梦想
快速提供疫苗
快速提供噬菌体
结语 只需4.3分钟传回基因信息，我们就能重造火星人／237
假设火星上的生命与地球上的生命都是基于 DNA 的, 假设火星有生命或者曾经有过生命,假设火星上有一 个基因测序设备,可以读取任何有可能存在于那里的“火星人”的 DNA 序列,那么,只需要 4.3 分钟把“火星人” 的基因序列发送回地球,我们就可以在地球上的实验室里重 造“火星人”!
译者后记 /249
克雷格·文特尔（J Craig Venter），发明了先进的“霰弹测序法”，创造了真正合成意义的人造生命。从人类基因组测序的先驱之一，到合成生命，在他那一系列几乎令人眼花缭乱有些甚至是跨领域的不懈探索和巨大成就中，领军其中任何一项就是了不起的科学家了。他一次次特立独行的壮举让他有了“测序狂人”“科学狂人”的雅号。《生命的未来》这本书又把我们引至激动人心的合成生物学前沿。
——曾长青
中国科学院北京基因组研究所研究员
中国科学院精准基因组医学重点实验室主任
薛定谔的《生命是什么》影响了一代又一代生物学家，并开启了生物学新时代。克雷格·文特尔追随薛定谔的脚步，在破译生命密码方面更进一步，他创造的“人造细胞”震惊了世界！我希望，对生命奥秘的探索，既能造福人类，又能帮助我们探知无边的宇宙。
——刘慈欣
著名科幻小说作家 畅销书《三体》作者
孩子都会拆闹钟，但只有能拼回去的时候才算真正理解了它的运作原理。人类拆开生命已经有漫长的历史，但文特尔也许将是把它拼回去的人！
——姬十三
果壳网、在行创始人
初次“结识”克雷格·文特尔是在大约10年前的法国戴高乐机场。《时代周刊》的封面人物似乎在对视着上帝，标题是《玩弄上帝？》。从那时起，我开始追踪这个争议大、也是具有传奇色彩的科学家 ，他的新书《生命的未来》详细论述了生命科学的基本原理，更重要的是，读者可以了解当今科学跨学科的融合：物理、化学、生物学以及天文学之间密不可分的关系。看完后，你一定会想：如果文特尔有一天获得诺贝尔奖，会是哪个领域的呢？
——李大光
中国科学院大学人文学院科学传播教授
国际科学素养促进中心中国研究中心主任
克雷格·文特尔是一位出类拔萃的科学家，他的《生命的未来》不但清晰地勾画了分子生物学的发展史，也展示了他和他的团队在 “合成生命”领域的卓越成就。这是继詹姆斯·沃森的《双螺旋》之后，生物学领域的又一部杰作！
——爱德华·威尔逊
哈佛大学教授，
“社会生物学”之父
“普利策奖”获奖图书《论人性》《蚂蚁》作者
人类正在经历一个重大转折点，因为克雷格·文特尔根据计算机设计的合成DNA创造出了新生命！《生命的未来》这本书讲述的就是“奇点”到来之时DNA信息和计算机如何有机结合的有趣故事，不但震撼力十足，也极具说服力。人类进化一旦经过“奇点”，生命、社会以及我们关心的一切，都可能有令人震惊的事情发生。
——雷·库兹韦尔
奇点大学校长，
谷歌公司工程总监
《人工智能的未来》《奇点临近》作者
下一次科技产业革命将发生在生命科学领域。
——彼得·蒂尔
畅销书《从0到1》作者