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【科學講堂】細胞需軟件 指令藏基因

2018-11-28
■能夠適應環境、隨環境而改變,是生命一大重要的特徵。圖中為在加拿大找到的多種菌類,展現出生物在適應環境發展的多樣性。 網上圖片■能夠適應環境、隨環境而改變,是生命一大重要的特徵。圖中為在加拿大找到的多種菌類,展現出生物在適應環境發展的多樣性。 網上圖片

之前一直跟大家分享科學家們在製造人工細胞方面的成果,不過好像都比較偏向硬件方面的討論:如何組成原始的人造細胞、怎樣為這些人工細胞提供能量來源等問題。今次就和大家討論一下軟件方面的問題:怎樣將運作人造細胞必需的「程式」輸進這些細胞中?

指示真實細胞如何運作的程式,大家應該早已耳熟能詳:那就是藏於細胞核中的DNA(當然不是每一枚細胞都有細胞核)。DNA就如同食譜,指示身體製造哪些蛋白質;這些蛋白質可以是操控身體內各種生化反應的酵素或荷爾蒙,因而控制了細胞如何運作。現今的基因排序技術發達,我們已經知道許多生物的完整基因密碼了。

不過,以前就跟各位提過,我們還是不十分了解每一個基因的功用。這個問題對製造人工細胞尤其重要:我們當然可以嘗試將某一種生物的完整基因「一字不改」地放進人造細胞中,但假如我們想減少需要處理的基因數目,究竟哪幾條基因是必需的?

尋必需基因 令細菌生長

John Glass是美國J. Craig Venter Institute的合成生物學家。他和同事們選了絲狀黴漿菌(Mycoplasma mycoides)為研究對象,嘗試回答以上的問題。絲狀黴漿菌的基因組相對簡單,Glass的團隊就有系統地修改每一條基因,藉此觀察每一條基因對這種細菌的影響,從而判斷哪些基因是必需的:結論是當中的473條基因,大約是這種細菌原來的基因數量的一半。他們把這些基因植入另一些細菌中,發現它們真的能令細菌繼續生長。倘若將當中的任何一條基因拿走,這些細菌不是馬上死亡就是停止生長。其中大約100條的基因,Glass還是未能找到它們的確切功能。

然而,能夠生存及成長,是否就足夠代表生命?有些科學家認為,能夠適應環境、隨環境而改變,才是生命最重要的特徵。Glass和他的研究夥伴將他們研製的「擁有最少基因的細胞」放進營養液中,再觀察它們如何成長。結果這些細胞在進行大約400次細胞分裂後,部分細胞的生長速度,比原來基因沒有被修改的高15%。他們也發現一些基因排序的改變,不過還沒有證據證明這些細胞在進化、在自我改變細胞的功能來提升競爭力。

改思想模式 重新看課題

美國學者庫恩(Thomas Kuhn)在上世紀60年代提出「典範改變(paradigm shift)」這個概念,指出科技發展許多時候會經歷重大的思想模式改變,人們會從一個不同的角度來觀看本來的研究課題。這幾次談到的人工細胞合成,也有人認為代表了生物學的一個典範改變。

良久以來,我們一直受制於對生命的有限認識,因而只能夠以從上而下(top-down)的方法去研究生命:我們從大自然中找到各種各樣的生命形態,再步步進逼,逐步探索基本層次的生命奧秘。

相反地,人工合成的細胞卻容許我們以從下而上(bottom-up)的方法,研究生命是如何運作的:究竟需要什麼樣的「零件」和設計,才能造出運作正常、有能量來源、能根據我們的安排操作的細胞?科學家們相信,對這些問題的進一步了解,將可以幫助我們找到更好的方法對抗疾病,或探究生命在其他星球出現的可能。

■張文彥博士 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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