1953年2月28日，第一个DNA双螺旋布局的份子模子降生，激发生物学研究的庞大革命，开启了份子生物学时代。

本年是DNA双螺旋布局发明70周年。已往70年间，人类慢慢相识了书写 生命天书 的基本 字母 以及 书写 法则，更于不停深切 浏览 其内容的根蒂根基上，开启了全新的 创作 之路。DNA双螺旋布局的发明，指引着人类从熟悉基因走向合成生命，于造福人类自身的同时，也将给将来世界带来更多可能。

龙生龙，凤生凤，老鼠生儿会打洞 。生物体与非生物体之底子差异于在，生物体可以或许生存以及哄骗信息，并把自身的信息一代又一代地通报下去。从古至今，人们始终试图阐明生物体这类承载以及通报信息的威力。

这个胡想于1953年关在获得了实现 美国科学家沃森以及英国科学家克里克提出了DNA双螺旋模子，借此于份子程度上清楚地注释了生物体是怎样生存以及通报信息的。于此根蒂根基上，份子生物学降生，现代生命科学的 帷幕 也就此正式拉开。

已往70年间，人类熟悉到生命最底子的基石是四个 碱基字母 及其响应的 书写法则 ，并由此打开 生命之书 的浏览之门，进入了比世界上任何一个藏书楼藏书都要富厚的 生命之书 殿堂。

生命之书 之 浏览篇

研究者从DNA双螺旋模子中熟悉到，生命的底层逻辑是 文字 ，即用 A T G C 4种碱基作为基本单位毗连发展长的多核苷酸链，如许的两条多核苷酸链彼此环绕纠缠而造成DNA双螺旋。

这4种碱基恰是记载生命遗传信息的 字母 ，此中每一3个碱基构成一个近似单词的遗传暗码子，对于应一个特定的氨基酸。卵白质是履行生命勾当的重要功效元件，由多个氨基酸作为基本单位毗连而成。从4种碱基中选择3种来组成一个暗码子，总数为64，以是生物体拥有64个暗码子 单词 。

因为生物体用来合成卵白质的自然氨基酸只要20种，是以除了了两种氨基酸（甲硫氨酸以及色氨酸）别离由一个暗码子决议之外，其他18种氨基酸别离对于应2到6个暗码子。生物体内的基因恰是一段由多种暗码子毗连起来的 碱基句子 ，用来引导一种卵白质的氨基酸构成以及排序。

因而可知，年夜天然于创举生命时接纳了 写书 的体式格局，只需4个碱基作为基本的 字母 ，就能够创作出有数的 作品 。是以，研究者的重要事情凡是就是浏览 生命之书 中的一段段碱基序列构成的 句子 ，并展现这些句子的寄义以及可能的生物学功效。

熟悉编码基因

从 一字一义 到 繁杂句式

研究者最初以为，一个编码基因用在引导一种卵白质的合成。但跟着 浏览 事情的深切，研究者发明，虽然这类 一基因一卵白 的不雅点于年夜肠杆菌等简朴生物体上基本建立，但于动动物等繁杂生物体上，环境就较着纷歧样了 这种生物体拥有年夜量的 断裂基因 ，即于一个编码卵白质的碱基序列之间插有若干段不编码卵白的碱基序列，其基因内编码卵白质的碱基序列称为 外显子 ，不编码的称为 内含子 。换句话说， 断裂基因 比如一段完备的 语句 被拆开，于中间插手了一些无心义的文字。

研究者还留意到，生命情势越高档，断裂基因就越多。好比，于用在打造面包以及啤酒的酵母细胞里，只要4%的基因拥有内含子；而于小鼠某人的基因组内，绝年夜部门基因都拥有内含子。

为何年夜天然于创作 生命之书 时会成长出如许的计谋？这看上去与人类的文字创作汗青有着某种相似的地方。于文学成长初期，创作者以描写为主，每一句话都比力明确。但跟着文学的成长，创作者但愿于一个句子里表达出差别的内容以及觉得，从而成长出了繁杂句式。好比，爱尔兰作家乔伊斯于其闻名的 意识流 小说《尤利西斯》的很多句子中，就掺杂了没成心义的文字。

对于拥有这类计谋的繁杂生物体而言，一个断裂基因内多个外显子凡是会遭到差别的剪切以及拼接，即 可变剪接 假如把差别的外显子用可变剪接体式格局举行毗连，一个基因就能打造出多种卵白质。今朝已经经知道，人类拥有的基因总数约莫是两万多个，而可以或许打造出的卵白质品种显然要远弘远在这个数量。

发明表不雅遗传

生命 涂抹 的色采也可传代

生命之书 拥有浩繁编码各类卵白质的基因，生物体必需精准地节制这些基因，以便于需要时打造出特定的卵白质。为此，生命于基因到卵白质合成的历程中增长了一个中间步调，称为 转录 把基因的碱基序列之信息转录到一条称为 信使RNA （mRNA）的碱基序列之上，然后用mRNA作为模板引导卵白质合成。也就是说，生命经由过程转录体式格局选择性地 浏览 基因。

最近几年来的研究发明，DNA上的很多碱基序列凡是被化学基团润色，此中最多见的是甲基化润色。而DNA甲基化润色的重要功效恰是促成或者按捺某个基因的转录勾当。因为DNA碱基序列上的化学润色凡是遭到机体表里情况的调治，这就成为了生命相应情况变迁来节制基因转录的主要手腕。

最主要的是，这些节制基因转录勾当的化学润色每每可以经由过程细胞破裂的历程，通报给子代细胞。显然，于这一历程中，DNA碱基序列自己并无发生转变。人们把这类于DNA碱基序列上的化学润色信息通报征象称为表不雅遗传，并由此孕育发生了一门新学科：表不雅遗传学。

假如把DNA碱基序列的各类化学润色比方为差别的颜色，那末 生命之书 就再也不是最初人们熟悉到的单色印刷本，而是一本五光十色的彩色图书 不只用碱基序列写出的 文字 可以被复印以及通报，用化学基团涂抹于这本 书 里的各类 颜色 也能够被复印以及通报。

经典遗传学不雅点以为，生命只接纳多核苷酸链上的碱基序列生存以及通报所有可以遗传的信息，且只要DNA碱基序列上发生的转变才气够遗传给下一代。而情况等外部要素致使的个别性状之转变，岂论优劣，都不会遗传给儿女。

好比，个别因炊事不服衡致使的肥胖是不会遗传给儿女的。也就是说，个别于身体内建了一道有形的 墙 ，机体于情况作用下后天所得到的性状信息，没法隔 墙 通报到其生殖细胞的DNA序列上，是以儿女是不会遭到亲代保存情况之影响。而表不雅遗传征象的发明不只攻破了碱基序列是生命遗传勾当独一载体的教条，并且一系列研究证实，表不雅遗传信息于某些环境下可以从亲代遗传给子代。

因而可知，表不雅遗传勾当把生命的开放性晋升到了一个新的高度，使患上从外部情况得到的信息经由过程表不雅遗传润色与机体内的DNA碱基序列上的信息举行整合，不只可以或许影响个别当下的心理以及病理勾当，还可以或许通报给下一代。

生命之书 之 编写篇

人类熟悉天然的一个重要目的是要改造天然，为人类办事。一样，人类也不会逗留于对于生命的 浏览 阶段，而是起劲地成长各类新技能去改造生命。为了改写 生命之书 ，研究者成长出了两种基本东西：辨认 字母 测定DNA上4种碱基的摆列挨次；编纂 文字 剪切以及毗连DNA上的碱基序列。

要想辨认 生命之书 里的碱基 文字 并对于相干内容举行改写，起首需要的就是DNA测序技能。早于1977年就降生了第一代DNA测序技能。不外，现今生命科学研究的支流是高通量的第二代测序技能。它不只年夜年夜降低了测序成本，还显著提高了测序速率，用一代测序技能完成一小我私家类基因组30亿个碱基的测序需要三年摆布的时间，而使用二代测序技能则可能于一周内完成。不久前，研究者又开发出可以或许检测单个多核苷酸份子的第三代测序技能。

人们每每用 铰剪加浆糊 形容文字编纂事情。要对于 生命之书 里的碱基序列举行编纂，一样需要 铰剪加浆糊 。研究者开发出来的 基因铰剪 是各式各样的核酸酶，此中最经常使用的是 限定性内切酶 。这种酶可以或许辨认DNA上特定的碱基序列，从而找到正确的剪切位点，并实现DNA链内的定点切割。

2012年，美国科学家经由过程改造细菌的核酸酶体系成长出一种全新的 CRISPR-Cas9 技能，它被誉为 基因魔剪 ，是今朝举行基因编纂最强无力的东西，没有之一。碱基序列被剪切以后，需要用 浆糊 从头毗连，为此，研究者有针对于性地成长出了若干DNA毗连酶，以便把DNA链间缺口毗连起来。

基因项目降生

生命 偷梁换柱 带来人类福祉

上世纪70年月，跟着DNA限定性内切酶的发明，研究者最先了 生命之书 的编写事情，并把这种于份子程度上对于DNA碱基序列举行操作的技能称为 基因项目 凡是是将外源基因转入到受体细胞，从而使其特征发生转变或者孕育发生新的性状。于这个历程中，起首是哄骗限定性内切酶把一种生物体（供体）DNA上的特定基因切下来，将其与运载东西（如质粒或者病毒）上的DNA于体外人工毗连，造成新的重组DNA，然后转送到另外一种生物体（受体）中举行扩增以及表达。

基因项目降生以来，为人类的福祉做出了伟大孝敬。出产医治糖尿病的胰岛素就是一个典型典范。

2022年是胰岛素用在临床医治的第100周年。第一代医用胰岛素重要是源在牛或者猪的胰腺提取物。这类出产体式格局不只昂贵，并且产量很低，远不克不及满意临床需求。1981年，美国研究者哄骗基因项目技能，将人的胰岛素基因导入年夜肠杆菌，经由过程年夜肠杆菌年夜量出产重组人胰岛素。从此第一代胰岛素产物彻底被这个第二代产物所代替。为了进一步提高胰岛素的疗效以及保险性，研究者又对于胰岛素基因举行邃密改造，得到了第三代产物 重组胰岛素近似物。

基因项目于农作物范畴一样阐扬了伟大作用。1983年，科学家培育出了第一个转基因作物 转基因烟草；到2002年，世界上约莫有550万到600万烟农莳植转基因烟草。1996年，美国的农场主最先莳植转基因年夜豆 于这类年夜豆里转入了动物 矮牵牛 的一种抗性基因，从而可以抵挡除了草剂。2021年，美国转基因年夜豆莳植面积占美国年夜豆总莳植面积的95%，总产量为1.2亿吨。

基因编纂迭代

为治愈遗传病点亮但愿之光

基在DNA限定性内切酶的基因项目技能极年夜改良了人类的出产糊口，但该技能于基因编纂的运用中也体现出来一些较着的有余，好比试验流程比力繁杂，成果获取需时较长，编写威力不敷精准等。

为此，研究者始终于起劲开发更好的基因编纂技能。2012年，美国科学家品德娜以及沙尔庞捷于细菌的基因编纂体系根蒂根基上成长出了一种抱负的基因编纂技能 CRISPR-Cas9 。这类技能的基来源根基理是：哄骗一段设计好的RNA序列 sgRNA 指导DNA内切酶 Cas9 至特定的DNA序列长进行剪切。该技能颠末不停迭代，今朝不只可以于细胞的基因组内插入长达3.6万个碱基的外源DNA片断，并且可以对于细胞内的DNA以致RNA举行单个碱基的修改。

这种新型基因编纂技能的呈现，显著晋升了人类抗击疾病的威力，尤为为医治基因碱基序列异样的遗传性疾病提供了无力兵器。据统计，今朝已经知的单基因遗传病跨越9000种，对于人类的康健形成了伟大风险。

例如，血红卵白基因异样会致使 地中海血虚 。今朝，全世界有近3.5亿地中海血虚基因的携带者，我国长江以南各省是该病的多发区，于部门多发地域，这类基因的携带者于人群中跨越10%。已往，因为没有好的医治药物或者要领，重度地中海血虚患者只能按期举行输血；此刻则无望哄骗CRISPR技能来医治地中海血虚。今朝，全世界进入临床研究阶段的地中海血虚基因编纂医治产物有6个，此中5个是接纳CRISPR技能。

值患上留意的是，CRISPR技能于改善农作物种类方面一样有着伟大上风。它不只可以哄骗外源基因来改做作物，还可以或许把作物自身的基因根据设计好的方针间接举行 改写 。2013年，中国科学家高彩霞活着界上初次报导了哄骗CRISPR技能编纂水稻以及小麦DNA序列的研究事情，并于2014年报导了使用CRISPR技能修改小麦的基因序列，从而使编纂后的小麦可以或许抵挡小麦白粉病的侵袭。

可以说，于CRISPR等一系列基因编纂技能的鞭策下，传统的那种不成控的作物天然育种将来将改变为高度可控的作物设计育种。

生命之书 之 创作篇

人工合成生命一直是研究者于摸索生命秘密历程中一个不灭的胡想。

早于1828年，德国化学家维勒就于试验室中哄骗氰酸铵合成为了尿素，初次证实人类可以于试验室里哄骗简朴的有机份子合成源自生物体内的无机化合物。上世纪60年月，中国科学家活着界上初次人工合成为了第一个具备生物活性的卵白质 由51个氨基酸构成的牛胰岛素；1981年又活着界上初次人工合成为了具备生物活性的多核苷酸链 由76个核苷酸构成的酵母丙氨酸转移核糖核酸（酵母tRNAAla）。

跟着科学技能的成长，最近几年来研究者于试验室合成生命的威力也于显著提高，他们以至试图创作出天然界中不存于的 生命之书 。

试管里合成生命

人类基因组规划将出 编写版

2010年5月，美国生物学家文特尔发布了世界上首个 人造生命 科学家依据一种最简朴的细菌基因组序列信息，初次全人工化学合成为了这个完备的、长度跨越100万个碱基的基因组。并且，含有这一人造基因组的人工细菌可以或许揭示出响应的生命勾当。

不久前，美国以及中国等多国科学家结合倡议的 合成酵母基因组规划 ，提出了一个更为弘大的方针 把拥有约莫2400万个碱基的酵母细胞基因组序列用化学合成的体式格局复制出来，今朝这个工程进展预计已经颠末半。

上世纪90年月启动的 人类基因组规划 的方针，是把人类自身这部由30亿个碱基组成的 天书 经由过程测序技能完备地 浏览 一遍。它的实行，为生命科学以及医学带来了革命性变迁。2016年5月，百余位专家学者提出，要把人类基因组这部 天书 用化学合成的体式格局于试管里 写 出来，称为 人类基因组规划 编写版 （HGPWrite）。可以想见，一旦HGP-Write正式实行，势必对于人类熟悉以及节制自身带来更为深远的影响以及意思。

设计以及改造生命

根据人的意愿举行全新创作

研究者的脚步并无逗留于根据天然界已经有的 生命之书 举行复制，而是最先根据人的意愿来创作全新的 生命之书 。

例如，美国生物学家文特尔于其化学全合成的首个 人造生命 长进行了设计以及改造，把他以为冗余的或者非必须的基因 句子 从该基因组上删除了，化学合成为了一个比原基因组碱基序列少了一半的 微型细菌基因组 。而含有这个微型基因组的细胞，其自我孳生的速率比具备全长基因组序列的细胞快了近五倍。

天然状况下的 生命之书 凡是拥有64个 单词 遗传暗码子，用来引导20种自然氨基酸合成卵白质，此中有一些暗码子是冗余的，称为 同义暗码子 。2019年，英国科学家发布了一个 人造 年夜肠杆菌，它含有一小我私家工设计并化学合成的人造年夜肠杆菌基因组，此中全新设计并合成的人工基因 句子 约莫包罗400万个碱基对于；于这些人工设计的基因里，只保留了61个遗传暗码子，删除了了3个同义暗码子，这些改造过的基因序列仍旧可以打造出一般的卵白质。

研究者不只试着修改基因 句子 以及暗码 单词 ，还于碱基 字母 上做起了文章。2014年，美国研究者公布他们于年夜肠杆菌的DNA序列里插手了两种非自然碱基 dNaM以及dTPT3，这两个碱基也可以于体内经由过程复制的体式格局通报信息。而于2017年的论文里，这些研究者进一步证实，这两个插入到自然基因序����Ϸapp列里的非自然碱基，一样可以或许于卵白质合成中指导特定的非自然氨基酸。

（作者为中国科学院生物化学与细胞生物学研究所研究员）

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