亞里士多德（Aristotle公元前384～前322）
古希臘的亞里士多德認(rèn)為事物是形式和質(zhì)料的統(tǒng)一，形式構(gòu)成事物的本質(zhì)，在事物的形成中起決定作用。而生物的形式是靈魂(entelecheia)，它賦予有機(jī)體（organism）以行為完善性和合目的性。靈魂的性質(zhì)決定有機(jī)體的機(jī)能和結(jié)構(gòu)。植物只有一種司營(yíng)養(yǎng)和繁殖的靈魂，動(dòng)物另有一種司感覺(jué)的靈魂，人類除了這兩種靈魂外，還有一種理性的靈魂。
1838～1839年間德國(guó)人施萊登和施旺提出了“細(xì)胞學(xué)說(shuō)”，被當(dāng)代生物學(xué)奉為“圣經(jīng)”。 根據(jù)細(xì)胞學(xué)說(shuō)，細(xì)胞被認(rèn)為是一切生命活動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，生物體的一切生命現(xiàn)象，如生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、遺傳、分化、變異、代謝和應(yīng)激等都被認(rèn)為是細(xì)胞活動(dòng)的體現(xiàn)。
如果將細(xì)胞學(xué)說(shuō)中的“細(xì)胞”用“靈魂”來(lái)置換，會(huì)發(fā)現(xiàn)高高在上細(xì)胞學(xué)說(shuō)只不過(guò)是“活力論”的翻版而已。現(xiàn)代生物學(xué)不斷在證明一件事情，所有的生命物質(zhì)可以在細(xì)胞之外合成，所有的生命現(xiàn)象可以在細(xì)胞外重現(xiàn)，生命創(chuàng)造并非是上帝的特權(quán)。
細(xì)胞外的生命物質(zhì)合成
早先，人們已知的有機(jī)物都是直接或間接來(lái)自動(dòng)植物體，因此，那時(shí)人們僅將從動(dòng)植物體內(nèi)得到的物質(zhì)稱為有機(jī)物。有機(jī)物對(duì)人類的生命、生活、生產(chǎn)有極重要的意義，地球上所有的生命體中都含有大量有機(jī)物。
當(dāng)時(shí)科學(xué)界被“活力論”主宰，認(rèn)為無(wú)機(jī)物與有機(jī)物有根本性差異，無(wú)機(jī)物所以無(wú)法變成有機(jī)物，有機(jī)化合物只能由生物的細(xì)胞在一種特殊的力量——生命力（life-force，vital spark）的作用下產(chǎn)生，人工合成是不可能的。
尿素合成：破除有機(jī)物與無(wú)機(jī)物的界限
哺乳動(dòng)物、兩棲動(dòng)物和一些魚(yú)的尿中含有機(jī)物尿素，1828年，德國(guó)化學(xué)家維勒（Friedrich Wohler）首次用無(wú)機(jī)物氰酸銨合成了有機(jī)物——尿素，有機(jī)物和無(wú)機(jī)物之間的界線隨之消失。
人類首次用無(wú)機(jī)物合成出來(lái)的有機(jī)物尿素
尿素的合成可說(shuō)是石破天驚，它打破了多年來(lái)占據(jù)有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的生命力學(xué)說(shuō)，引起了化學(xué)界的一次震動(dòng)。不少人為之歡呼，紛紛祝賀。對(duì)此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，恩格斯曾評(píng)價(jià)，維勒合成尿素，掃除了所謂有機(jī)物的神秘性的殘余。當(dāng)然維勒的發(fā)現(xiàn)同時(shí)也遭到了許多人的反對(duì)。他的老師貝采利烏斯（Berzelius）最初聽(tīng)到這個(gè)消息時(shí)，幽默地諷刺說(shuō)“能不能在實(shí)驗(yàn)室造出一個(gè)孩子來(lái)”。人工合成尿素就像是導(dǎo)火索，引爆了有機(jī)合成的“大炸彈”，不久，乙酸、酒石酸等有機(jī)物，像雨后春筍一般相繼被合成出來(lái)，開(kāi)創(chuàng)了有機(jī)合成的新時(shí)代?？?tīng)柊?H . Kolbe)在1844年合成了醋酸(CH3COOH)[2]，柏賽羅(M . Berthelot)在1854年合成了油脂等， 目前人類已知的有機(jī)物達(dá) 8000 多萬(wàn)種，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)機(jī)物。
氨基酸合成：從“原始湯”里制造生命“積木”
氨基酸被認(rèn)為是建造生命的物質(zhì)基礎(chǔ)——蛋白質(zhì)分子的“積木” ，是地球經(jīng)過(guò)幾十億年才孕育出來(lái)有機(jī)分子。
米勒模擬原始地球合成氨基酸的裝置
1953年Miller通過(guò)放電用氨、甲烷、氫和水蒸氣合成了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等重要的氨基酸，米勒把小小的容器變成濃縮了的原始地球，重演了幾十億年前發(fā)生的驚天動(dòng)地的奇跡，展示了原始地球合成有機(jī)物的生動(dòng)圖景。人工合成氨基酸的成功，震動(dòng)了整個(gè)生物學(xué)界。在探索生命起源的征途上，人類又邁出了重要的一大步。
牛胰島素合成：破解生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)
蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒(méi)有蛋白質(zhì)就沒(méi)有生命。而過(guò)去世界普遍認(rèn)為生命體是天然的，大都認(rèn)為蛋白質(zhì)人工合成是不可能的。胰島素是人體內(nèi)唯一能降低血糖的激素，也是唯一能同時(shí)促進(jìn)糖原、脂肪、蛋白質(zhì)合成的激素。而牛的胰島素，則是當(dāng)時(shí)人類唯一完成一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)序的生物體蛋白質(zhì)。它由51個(gè)氨基酸組成，分子量雖小，但分子呈立體結(jié)構(gòu)，還有3對(duì)雙硫鍵，構(gòu)型十分復(fù)雜，在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能研究中占有特殊地位。
中國(guó)科學(xué)家人工合成生命活性物質(zhì)結(jié)晶牛胰島素
1965年9月17日，中國(guó)科學(xué)院生物化學(xué)研究所等單位，經(jīng)過(guò)六年多的艱苦工作，在世界上第一次用人工方法合成了一種具有生物活力的蛋白質(zhì)——結(jié)晶牛胰島素。將這一重要科學(xué)研究成果首先以簡(jiǎn)報(bào)形式發(fā)表在1965年11月的《中國(guó)科學(xué)》雜志上，1966年4月，全文發(fā)表。 蛋白質(zhì)研究一直被喻為破解生命之謎的關(guān)節(jié)點(diǎn)，胰島素是蛋白質(zhì)的一種。它的人工合成成功，標(biāo)志著人類在揭開(kāi)生命奧秘的道路上又邁出了一大步。
核酸合成：破解生物合成的物質(zhì)基礎(chǔ)
核酸是由許多核苷酸聚合成的生物大分子化合物，為生命的最基本物質(zhì)之一。核酸廣泛存在于所有動(dòng)植物細(xì)胞、微生物體內(nèi)，DNA是儲(chǔ)存、復(fù)制和傳遞遺傳信息的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，RNA在蛋白質(zhì)合成過(guò)程中起著重要作用。
中國(guó)科學(xué)家首次合成具有生物活性的核酸大分子酵母丙氨酸t(yī)RNA
1979年，H. G. Khorana合成了酪氨酸阻遏tRNA基因；中國(guó)科學(xué)家自1965年開(kāi)始開(kāi)展人工合成tRNA的研究工作，由中科院上海生物化學(xué)所、細(xì)胞生物學(xué)所、有機(jī)化學(xué)所、生物物理所和北京大學(xué)、上海試劑二廠等單位聯(lián)合攻關(guān)，于1981年在世界上首次人工合成了76核苷酸的整分子酵母丙氨酸t(yī)RNA。
基因組合成：破解生命的藍(lán)圖
基因是DNA(脫氧核糖核酸)分子上具有遺傳效應(yīng)的特定核苷酸序列的總稱，是具有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段?；蚪M是生命最基本的信息載體，在由成千上萬(wàn)的堿基構(gòu)成的核酸鏈上，記載了生命活動(dòng)需要的所有遺傳信息。
2002年，美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校的E. Wimmer小組用3年時(shí)間合成出了脊髓灰質(zhì)炎病毒的全基因組，約7.7Kb。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，這些人工合成的病毒基因組不僅可以合成出與天然病毒蛋白完全相同的蛋白質(zhì)，而且通用具有侵染宿主細(xì)胞的活力；
2003年，J. Craig Venter的研究小組用了14天時(shí)間從頭合成了噬菌體φX174的基因組，長(zhǎng)度約5Kb；
2005年，美國(guó)研究人員人工合成了1918年造成世界上千萬(wàn)人死亡的“西班牙流感病毒”；
2008年，J. Craig Venter小組又化學(xué)合成了生殖道支原體（Mycoplasma genitalium）的基因組，長(zhǎng)度約580Kb；
細(xì)胞外的新陳代謝
新陳代謝指生物體與外界環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換以及生物體內(nèi)物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)變過(guò)程，新陳代謝被認(rèn)為是細(xì)胞生長(zhǎng)、復(fù)制、分化、遺傳、變異和應(yīng)激的特有現(xiàn)象，現(xiàn)代生物學(xué)不斷揭示出所有這些生命現(xiàn)象均可以在細(xì)胞外發(fā)生。
無(wú)細(xì)胞發(fā)酵：蛋白質(zhì)活動(dòng)無(wú)需依賴細(xì)胞
發(fā)酵指微生物分解有機(jī)物質(zhì)的過(guò)程，它可以在有氧條件下進(jìn)行，也可以在無(wú)氧條件下進(jìn)行，但沒(méi)有細(xì)胞即沒(méi)有微生物這個(gè)主體發(fā)酵被認(rèn)為是不能進(jìn)行的。
畢希納(Eduard Biichner)
1897年德國(guó)化學(xué)家Biichner兄弟證明無(wú)細(xì)胞酵母提取液仍然能使蔗糖發(fā)酵為酒精，告訴我們這種發(fā)酵因子雖然由活細(xì)胞所產(chǎn)生，但是在離開(kāi)細(xì)胞后仍起作用。
無(wú)細(xì)胞核酸合成：DNA復(fù)制無(wú)需依賴細(xì)胞
DNA復(fù)制是指DNA雙鏈在細(xì)胞分裂以前進(jìn)行的復(fù)制過(guò)程，復(fù)制的結(jié)果是一條雙鏈變成兩條一樣的雙鏈，每條雙鏈都與原來(lái)的雙鏈一樣。
聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR）一種生物體外的特殊DNA復(fù)制，是利用DNA在體外攝氏95度時(shí)解旋，55度時(shí)引物與單鏈按堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則結(jié)合，再調(diào)溫度至72度左右，DNA聚合酶沿著磷酸到五碳糖(5'-3')的方向合成互補(bǔ)鏈。由PCR技術(shù)制造的PCR儀實(shí)際就是一個(gè)溫控設(shè)備，能在95℃，55℃，72℃之間很好地進(jìn)行控制。
無(wú)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄：RNA轉(zhuǎn)錄無(wú)需依賴細(xì)胞
轉(zhuǎn)錄是遺傳信息由DNA轉(zhuǎn)換到RNA的過(guò)程，作為蛋白質(zhì)生物合成的第一步，轉(zhuǎn)錄是mRNA以及非編碼RNA(tRNA、rRNA等)的合成步驟。
來(lái)自哺乳動(dòng)物或果蠅的組織培養(yǎng)細(xì)胞的提取物RNA 聚合酶Ⅱ可實(shí)現(xiàn)無(wú)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄體系。
無(wú)細(xì)胞翻譯：蛋白質(zhì)翻譯無(wú)需依賴細(xì)胞
蛋白質(zhì)的翻譯就是把核酸中由A,G,C,T/U四種符號(hào)組成的遺傳信息，破讀為蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸排列順序。mRNA是指導(dǎo)翻譯的直接模板，tRNA為氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體，核蛋白體為蛋白質(zhì)合成的裝配場(chǎng)所。
利用無(wú)細(xì)胞提取物提供所需要的核糖體、ATP、轉(zhuǎn)移核糖核酸、酶類、氨基酸、能量供應(yīng)系統(tǒng)及無(wú)機(jī)離子等，在非細(xì)胞環(huán)境中以外加的信使核糖核酸(mRNA)可指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。常用的無(wú)細(xì)胞提取物有兔網(wǎng)織紅細(xì)胞裂解物和麥胚抽提物等。
無(wú)細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)
以外源mRNA或DNA為模板，可在細(xì)胞抽提物的酶系中補(bǔ)充底物和能量來(lái)合成蛋白質(zhì)。表達(dá)對(duì)細(xì)胞有毒害作用或含有非天然氨基酸(如D-氨基酸)的特殊蛋白質(zhì)，能夠直接以PCR產(chǎn)物作為模板同時(shí)平行合成多種蛋白質(zhì),開(kāi)展高通量藥物篩選和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究。
2013年3月以色列魏茨曼科學(xué)研究所材料與界面系的研究團(tuán)隊(duì)在玻璃芯片上創(chuàng)建了一個(gè)二維的類細(xì)胞系統(tǒng)，芯片上的基因表達(dá)（gene express on chip）。這一系統(tǒng)是由細(xì)胞中的一些基本生物分子如DNA、RNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成的，能夠執(zhí)行一個(gè)活細(xì)胞的中心功能：基因表達(dá)，基因中存儲(chǔ)的信息正是通過(guò)這一過(guò)程被“翻譯”成蛋白質(zhì)的。
生命的改寫(xiě)、設(shè)計(jì)與組裝
掙脫了“細(xì)胞學(xué)說(shuō)”的束縛，科學(xué)家不僅僅是滿足于自上而下地“解讀”生命，研究方向可以是完全是相反的，可以改寫(xiě)或設(shè)計(jì)生命部件，從最基本的要素開(kāi)始一步步建立人工生命系統(tǒng)。像組搭積木一樣組裝生命：“元件”、“模塊”、“基因回路”、“基因開(kāi)關(guān)”組成一個(gè)合成生物電路，并將電路和網(wǎng)絡(luò)在底盤(pán)（細(xì)胞）上進(jìn)行組裝，讓它們像電路一樣運(yùn)行。
人造核糖體：破解蛋白質(zhì)的翻譯機(jī)器
核糖體是細(xì)胞中的一種細(xì)胞器，細(xì)胞中都有核糖體存在。一般而言，原核細(xì)胞只有一種核糖體，而真核細(xì)胞具有兩種核糖體（其中線粒體中的核糖體與細(xì)胞質(zhì)核糖體不相同）。核糖體在細(xì)胞中負(fù)責(zé)完成“中心法則”里 由RNA到蛋白質(zhì)這一過(guò)程，此過(guò)程在生物學(xué)中被稱為“翻譯”。
人造核糖體可解碼四倍體密碼子
天然蛋白翻譯中所用的是3位密碼子，2010年英國(guó)劍橋大學(xué)Jason Chin及其同事創(chuàng)造的核糖體可解碼四倍體密碼子，零碎合成方法演變并列的或“正交”的核糖體，這樣得到的核糖體能利用成對(duì)的非天然tRNA合成酵素/tRNA來(lái)高效解碼四倍體密碼子。這個(gè)體系有可能允許將多達(dá)200個(gè)新穎氨基酸導(dǎo)入通過(guò)基因編碼的人工設(shè)計(jì)的蛋白中。
人造核糖體
2015年來(lái)自伊利諾伊大學(xué)和西北大學(xué)的研究人員構(gòu)建出了一種亞基栓系在一起的核糖體，它幾乎能像真正的細(xì)胞器一樣發(fā)揮作用，在細(xì)胞內(nèi)合成所有的蛋白質(zhì)和酶。通過(guò)構(gòu)建出兩個(gè)亞基共享一條核糖體RNA ，由這些小栓繩而將亞基連接在一起的工程核糖體，實(shí)際上制造出了一個(gè)雙翻譯系統(tǒng)。
人造細(xì)胞膜：像活細(xì)胞一樣不斷地生長(zhǎng)
細(xì)胞膜是一種雙磷脂層的膜，在所有活生物中，它都是一種能生長(zhǎng)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)。細(xì)胞膜的基本作用是維護(hù)細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，并參與同外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換、能量和信息傳遞。另外， 在細(xì)胞的生存、生長(zhǎng)、分裂、分化中起重要作用。
2015年美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員成功合成了一種人造細(xì)胞膜，能像活細(xì)胞一樣不斷地生長(zhǎng)。這暗示了無(wú)機(jī)世界與有機(jī)世界的界限微乎其微，有機(jī)物的復(fù)雜度不過(guò)是能量灌注的結(jié)果。
人造DNA堿基：為生命天書(shū)增添新的字母表
遺傳信息是核酸分子中基因上的堿基排列順序，DNA由四種核苷酸構(gòu)成，這四種核苷酸以字母G、C、A和T指代。密碼子是信使RNA上決定一個(gè)氨基酸的三個(gè)相鄰堿基的排列順序，分子中每相鄰的三個(gè)核苷酸編成一組，在蛋白質(zhì)合成時(shí)，代表某一種氨基酸。
2015年美國(guó)印第安納大學(xué)和應(yīng)用分子進(jìn)化基金會(huì)等機(jī)構(gòu)科學(xué)家自下而上地重新發(fā)明了‘遺傳字母表’，他們?cè)斐龅膬煞N人造DNA“字母”Z和P，這兩種新合成的核苷酸能無(wú)縫的整合到DNA的螺旋結(jié)構(gòu)中，能像天然DNA那樣組合連接在一起，將來(lái)有望把這兩個(gè)新成員納入到活細(xì)胞中。
細(xì)胞內(nèi)編程：為生命裝上邏輯回路
邏輯門(mén)又稱“數(shù)字邏輯電路基本單元”。執(zhí)行“或”、“與”、“非”、“或非”、“與非”等邏輯運(yùn)算的電路，任何復(fù)雜的邏輯電路都可由這些邏輯門(mén)組成。生物邏輯門(mén)體現(xiàn)為近似它們的電子等同物。生物邏輯門(mén)也是模塊化，這意味著它們可以組裝在一起形成不同類型的邏輯回路，可用于制造出更加復(fù)雜的生物處理器。
2014年加州大學(xué)研究人員在活細(xì)胞內(nèi)開(kāi)發(fā)出完成預(yù)定功能的邏輯震蕩回路，利用蛋白酶競(jìng)爭(zhēng)的原理開(kāi)發(fā)出跨越多重時(shí)空尺度的快速可調(diào)的耦合遺傳回路，建立了在胞內(nèi)及克隆水平的耦合遺傳時(shí)鐘平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)共同的遺傳回路通道中的多路頻率信號(hào)傳輸。
2012年蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授Martin Fussenegger團(tuán)隊(duì)通過(guò)組合和相互連接幾個(gè)邏輯門(mén)獲得了“半加器”和“半減器”中心電路元件，在脯乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)構(gòu)建了一個(gè)能夠執(zhí)行邏輯運(yùn)算的可編程細(xì)胞計(jì)算器；
2013年麻省理工學(xué)院工程師Rahul Sarpeshkar 和Timothy Lu等利用已存在于原核細(xì)胞中的自然生化功能構(gòu)建出模擬電路計(jì)算器，可進(jìn)行1到10000的范圍內(nèi)加減乘除及平方根數(shù)學(xué)運(yùn)算；
設(shè)計(jì)組裝活細(xì)胞：剝奪上帝的特權(quán)
“生命是什么”是許多生物學(xué)家不斷地嘗試在在不同層面去理解的問(wèn)題。 科學(xué)家嘗試了許多方法， 把它分解到最小的組成部分。 到目前我們幾乎已經(jīng)用了20年來(lái)將其數(shù)字化。 當(dāng)我們?cè)谂判蛉祟惢蚪M的時(shí)候， 它從生物學(xué)的模擬分析世界 走進(jìn)了計(jì)算機(jī)的數(shù)字世界。 現(xiàn)在我們?cè)趪L試提問(wèn)，我們是否能夠再造生命， 或者我們是否從這個(gè)數(shù)字世界中能創(chuàng)造新的生命?
文特爾人造生命合成示意圖
第一個(gè)來(lái)自計(jì)算機(jī)“母親”的人造細(xì)胞“Synthia”
2010年，J. Craig Venter小組將人工設(shè)計(jì)、合成、組裝好的絲狀支原體（Mycoplasma mycoides）DNA移植入受體細(xì)胞中，一段時(shí)間后，該移植細(xì)胞完全由合成的基因組控制。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的克雷格·文特爾博士不無(wú)驕傲地向媒體宣稱：“在這顆星球上所有能夠自我復(fù)制的生命體中，我們首次擁有了這樣的一員——它的父母，是一臺(tái)電腦”?！斑@是生命科學(xué)和生物技術(shù)發(fā)展中具有決定性意義的一刻”，美國(guó)俄勒岡里德大學(xué)的哲學(xué)家馬克·貝鐸（MarkBedau）博士說(shuō)——在千萬(wàn)年來(lái)不斷干涉自然進(jìn)化、制造新物種的人類史中，我們第一次利用最基本的建筑材料，從一個(gè)個(gè)字母開(kāi)始書(shū)寫(xiě)生命的密碼。
在合成生物學(xué)研究中，2011年，華大基因與美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)在第六屆國(guó)際基因組學(xué)大會(huì)上簽署《人工合成酵母基因組研究與教育合作協(xié)議》，宣布雙方將聯(lián)合開(kāi)展人工合成酵母基因組研究。釀酒酵母基因組人工合成計(jì)劃（SC2.0 Project）是人類首次嘗試改造和從頭合成真核生物。研究人員把經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的人工合成染色體導(dǎo)入釀酒酵母中，并保證帶有人工合成染色體的酵母菌仍能夠正常存活。項(xiàng)目領(lǐng)頭人美國(guó)紐約大學(xué)的Jef Boeke教授2015年10月23日在第十屆國(guó)際基因組學(xué)大會(huì)上宣布該項(xiàng)目取得了上述突破。該項(xiàng)工作的完成將闡明一系列如染色體基本特性、RNA剪接功能以及其基因組構(gòu)成和進(jìn)化等科學(xué)問(wèn)題。已完成五條染色體的全合成及功能驗(yàn)證(其中有四條分別來(lái)自深圳華大基因研究院、天津大學(xué)和清華大學(xué))。
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