在过去的一年里,哪一位科学家最具影响力?加州理工学院的迈克·布朗(Mike Brown“)迫使”天文学家重新思考行星到底是什么;芝加哥大学的尼尔·舒宾(Neil Shubin)发现了一块重要的化石,它揭示了生命是如何(从水中)迁移到陆地上的;澳大利亚昆士兰医学研究所的艾玛·怀特劳(Emma Whitelaw)证明了遗传是怎样扩展到基因以外的领域的;美国航空航天局(NASA)的詹姆斯·汉森(James Hansen)支持全球变暖的观点,并且大胆质疑政府现有的有关气候变化的监测制度。以上仅仅是入围《发现》杂志2006年度“哪一位科学家的影响力最大?”的候选人中的一部分。

　　最后,评委会把目光集中在加利福尼亚大学伯克利分校的化学工程学教授杰伊·凯瑟林(Jay Keasling)身上———他的工作在众多优秀候选人中更加突出———并宣布杰伊·凯瑟林当选为《发现》杂志2006年度科学家!

合成生物学

　　21世纪取得的遗传工程的壮举很容易使人们惊叹不已。基因可以从一个物种转移到另一个物种,如培育出了分泌含有药物乳汁的山羊、能生产人胰岛素的细菌等。但是这些对杰伊·凯瑟林来说还远远不够。不同于对单个基因的简单操作,凯瑟林想操纵许多基因一起工作,就像电路中连着的晶体管一样。

　　这种新的“操纵”生命的方法——除了探索人造DNA,还包括制造新的氨基酸及在实验室里实现受控进化——被赋予了一个新名词:合成生物学。今年42岁的凯瑟林是这门学科的总设计师之一,作为一门新兴学科,合成生物学必须要通过一些实际的应用来证明自己。凯瑟林目前正在提供这方面的证据:他正尝试着把不同物种的基因整合到一种微生物中,从而制造出一种治疗疟疾的药物。这不仅是一项技术的杰作,而且是一个充满了人道主义的事业。凯瑟林通过微生物制造出的药物的价格,只是其药物目前市场价格的几分之一,这将使它易于被世界上更多的人接受。只要合理地利用,这些微生物就能拯救千百万人的生命。

　　凯瑟林的童年时代是在农场中度过的。当时生物学、化学和工程学这些传统学科在社会上的应用濒临停滞,这个背景最终引导他进入了生物技术领域(当时该领域还处于萌芽状态)。在20世纪80年代初期,遗传工程学刚刚完成了从实验室到交易所的跳跃,一些公司通过把基因插入到大肠杆菌中制造出胰岛素、生长激素和其他有价值的分子而赚了一笔钱。但是,在凯瑟林的眼里,遗传工程学还没有充分利用细胞的潜能。那时的科学家只是简单地把单个基因插入到细菌中,诱导它们尽可能多地“生产”同一种蛋白质。

　　分子的生产通常是比较复杂的,它要求几个基因协同工作。一个基因编码了一种蛋白质,接着这个蛋白质要被另外的蛋白质重新加工后利用。凯瑟林想发明这样一些工具:即这些工具能允许他操纵多种这样的“遗传装配线”。因此他没有攻读生物学的博士学位,而是选择了化学工程学。凯瑟林推测,在细胞里发生的事情,跟在化工厂里发生的事情非常类似:石油输入进去,经过一个完整的反应链,塑料就生产出来了。

遗传装配线

　　在加利福尼亚大学伯克利分校的最初十年里,凯瑟林一直致力于构建他需要的新的工具,即能把细胞转变为化学工厂的工具。他研究了质粒和DNA的微循环(tiny ringlets of DNA),遗传工程学家常用它们来把外源基因插入到细菌中。他还发现了诱导微生物制造某一特定蛋白质的大批量拷贝的方法,发明了非常有效的激发蛋白质生产的化学开关。

　　在这一时期,其他一些科学家也做了相似的工作,如借用工程学上的一些技术,研究如何操纵微生物。在他们的共同努力下,合成生物学这一新型学科诞生了。2003年,第一次合成生物学大会在MIT召开;2006年,合成生物学领域已成为媒体的宠儿,经济学家称其为“Life2.0”(一种潜力股);福布斯则把它描述为生命的潜在“新生”。

　　在这些耀眼的光环后面,呈现的是令人厌烦的现实情况:相对于简单的事情而言,合成生物学有大量的工作要做。就拿细菌照相机来说吧,2005年,得克萨斯大学和加利福尼亚大学旧金山分校的科学家报道说,他们培育了一种大肠杆菌的新菌株,它能够制造出类似照片的图像。具体做法是:把感光和制造色素的基因插入到细菌中,然后“操纵”这些细菌,使这些基因协同工作——这可称得上是合成生物学原理的引人注目的证据。不过,这种照相机十分笨拙,目前还不可能代替数码照相机。

　　在花了几年时间对生物工具包进行完善后,凯瑟林想为它找一个真正造福于世的应用。2002年,他获悉合成的青蒿素极度匮乏。青蒿素是从一种有甜味的蒿属植物(即青蒿,亦称黄花蒿(Artemisia annua),青蒿素是中国科学家开发出的强效抗疟疾药物———译者注)中提取出来的,它对导致疟疾的寄生虫(即疟原虫)有很好的抵抗作用,有效率可达90%,并且几乎没有副作用(疟疾每年大约夺去了全球300万人的生命)。但是,从青蒿里提取青蒿素是一个缓慢而昂贵的过程,这导致青蒿素的价格是其他抗疟疾药物价格的20倍。

操纵微生物

　　凯瑟林认为,他能够操纵微生物来大批量生产青蒿素,而不必耗费很长时间(青蒿自然生长需要几个月,然后用化学的手段把青蒿素生产出来也十分缓慢)。他设想可以把制造过程简化为:把糖倒进一个罐子里,然后用经遗传工程改造过的细菌通过他自己设计的化学途径来制造青蒿素。2003年,凯瑟林领导的团队首次取得了成功,制造出了青蒿素的一个前体。那个结果影响巨大,得到了比尔&梅琳达·盖茨基金会(Bill&Melinda Gates Foundation)4300万美元的资助!为了把这个前体转变为青蒿素,凯瑟林不得不放弃对细菌的生物操作,而用酵母取而代之。2006年4月,他的团队报道了最新的研究成果:他们把细菌、酵母和蒿属植物的基因巧妙地“拼凑”起来,将酵母变成了一个化工厂,成功地生产出了青蒿酸(青蒿素的前体物质)。

　　对凯瑟林来说,最后的一步就是解决如何大批量生产青蒿素的难题。跟快速生长的细菌相比,酵母在制造酶的方面显得太慢了。因此,凯瑟林把他的研究团队一分为二,开展了竞赛:一支队伍在大肠杆菌中寻找新的化学合成路径;另一支队伍在提高酵母中青蒿酸的产量。凯瑟林坚信,其中肯定有一支队伍会取得成功,对此他非常乐观。如果获得了成功,他希望能把青蒿素的生产成本从现在的1美元/克降低到10美分/克。

　　战胜疟疾仅仅是凯瑟林探索合成生物学惊人潜能的宏大计划的一部分。在他的实验室里,学生们都在操纵着微生物来分解杀虫剂,制造生物可降解的塑料,利用植物来生产乙醇或其他的燃料。正是基于这些成就《,发现》授予了杰伊·凯瑟林“2006年度科学家”的称号。