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人类正向“造物主”靠拢:基于CAD的全新基因编辑软件,让设计新生命像画画一样简单

小嗨4周前 (03-24)奇趣事41

说起 CAD,想必很多人都不陌生。CAD,全称计算机辅助设计,旨在通过计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。再通俗点说,CAD 就是一个绘图软件,人们可以使用它绘制复杂的工程图、机械图、建筑图、电路图等。

CAD 最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中,主要被用于产生和手绘的图纸相仿的图纸。而随着计算机变得普及,CAD 的应用范围也逐渐变广。现如今,CAD 已经不仅仅用于绘图和显示,它也开始导入设计者的专业知识中更具 “智能” 的部分。

近日,全球权威组织,人类基因组编写计划(Genome Project–Write ,GP-write)宣布,他们即将发布一款基于 CAD 的全新基因编辑软件,将使大规模的基因组编辑和设计变得更加容易。

波士顿大学电气与计算机工程教授 Doug Densmore 博士是一家初创生物公司 Lattice Automation 的创始人,领导基因编辑 CAD 软件的开发。在接受媒体采访时,Doug Densmore 博士表示,“新型基因编辑 CAD 软件的开发,有利于促进计算机科学和生物学的融合,可以帮助生物学家更好的进行生物研究”。

同时 Doug Densmore 博士还表示,这款神奇的软件将于今年年底问世。

什么是 GP-write?

说起 GP-write,就不得不提人类基因组计划。人类基因组计划是一项规模宏大,跨国跨学科的科学探索工程。其宗旨在于测定组成人类染色体(指单倍体)中所包含的 30 亿个碱基对组成的核苷酸序列,从而绘制人类基因组图谱,并且辨识其载有的基因及其序列,达到破译人类遗传信息的最终目的。

该计划于 1985 年由美国科学家率先提出,并于 1990 年正式启动一直到 2003 年结束。在经过美国、英国、法国、德国、日本、中国等 6 国科学家共同参与下,人类的基因之谜终于被解开,科学家也可以轻松解读 “阅读” 基因中的秘密。

然而,有一群科学家发现,近年来虽然基因组测序技术仍在以极快速度发展,但构建基因的能力仍基本局限于少量短的片段,限制了人类对生命的了解。

于是在 2016 年 6 月 2 日,哈佛医学院基因学家 George Church、纽约大学合成生物学家 Jef Boeke 和美国欧特克研究中心商业设计工作室未来学家 Andrew Hessel 共同在美国《科学》杂志上刊文宣布,将筹资 1 亿美元,启动历时 10 年的人类基因组编写计划(Genome Project–Write ,GP-write),将在实验室从头合成人类基因组。

Church 等人曾表示,“现在是时候构建基因组规模工程的技术及其伦理框架了。” 因此,GP-write 计划也被可以被认为是人类正在向可以 “书写生命密码” 的 “造物主” 靠拢。

不出意外,这一消息的发布,立刻引发了科学界和公众对于实验室 “合成” 出人类的强烈质疑与担忧。

图 | George Church(来源:Science)

于是 2018 年 5 月 1 日,在波士顿召开的一次会议上,GP-write 的组织者宣布了一项优先转变事项,新的研究重点不再是合成人类基因组的 30 亿个 DNA 碱基对,而是试图通过重新编码基因组使人类细胞对病毒产生免疫,也就是构建一种具有超强免疫能力的 “超级细胞”。

研究人员表示,医药企业、科研机构能够利用 “超级细胞” 制造疫苗、抗体和其他生物药物,而不会有病毒污染的风险,“超级细胞” 还可以帮助人们制造类似人类蛋白质的蛋白药物,以降低人体免疫系统对药物的排斥风险。

外界也对该转变普遍持赞成态度。苏黎世瑞士联邦理工学院的合成生物学家 Martin Fussenegger 表示,这是一个了不起的想法,它更适合于医疗公共事业和应用,而不仅仅是为了 DNA 合成技术本身。

通过 CAD 辅助基因编辑,靠谱吗?

GP-write 的目的是通过 CAD 等技术来辅助基因编辑,从而创造出全新的生命或全新的能力。

在 2019 年发表的一篇论文中,GP-write 的科学家曾提到过其愿景,“我们希望能创造出一种简单、友好的 CAD 辅助基因编辑程序,从而使基因设计更快、更便宜、更可靠”。

GP-write 联合执行总监 Amy Schwartz 博士在接受采访时也曾表示,“一旦这种 CAD 软件问世,那么其对于医学、能源和材料行业的影响将是颠覆性的”。

(来源:the-scientist.com)

显然,要想做出这样一款 CAD 辅助软件,其难度远远超过目前常用的 CRISPR 等工具所进行的基因编辑。经典的 CRISPR 基因编辑工具一般仅限于对人类 DNA 上单个碱基对的修改,而 Schwartz 博士的团队致力于帮助科学家超越这一局限,旨在从更高、更抽象的层面改造生命。

例如,如果科学家想在生物体内通过添加某种新的代谢途径来创造新的蛋白质,则 CAD 可以自动将基因组上所有必须要更改的位置进行更改。也就是说,未来人们可以不用在局限于单个碱基对的修改,而是直接通过这种 CAD 辅助基因编辑软件,在生物体内加上自己想要的功能。

目前,Gingko Bioworks 和 Zymergen 等开创性的合成生物学公司已成功通过这种方式,重新设计了酵母和细菌等单细胞生物,并将其转变为可产生所需物质的微观工厂。

CAD 辅助基因编辑的伦理问题

显然,一旦这种 CAD 辅助基因编辑软件问世,那么通过基因编辑创造新的生命将会变得非常简单。但是,如果有不法分子通过这一软件来合成各种致命病毒或者是生化武器,那么后果显然是非常严重的。

对此,GP-write 表示,“对于涉及基因编辑和合成生物学的任何科研工作者来说,安全始终都是最重要的。GP-write 保证,CAD 辅助基因编辑的问世,一定会达到国际基因合成协会的最高生物安全标准。我们会将目前所有一直的危险 DNA 序列排除在外,防止用户制造危险病毒或生化武器。同时,我们还会检查细胞或有机体是否会以不受控制的方式增殖,避免环境问题。”

虽然 GP-write 会保证 CAD 辅助基因编辑软件的安全性,但是仍有一些科学家不放心。例如,弗莱堡大学的生物伦理学家 Joachim Boldt 表示,“我发现,简单的 CAD 设计流程和现实应用之间可能存在冲突。因为一个简单快捷的软件可能会使用户高估其准确性,尤其是那些对于底层逻辑不熟悉的用户,从而造成严重的后果”。

同时,Joachim Boldt 教授还主张制定有关 CAD 辅助基因编辑的国际法规,用过这些法规来约束其在不同生物类型中的应用范围。他表示,“如果没有政府或机构来对这一新型事物负责,那么在基因组设计的过程中一定会出现问题”。

总体而言,CAD 辅助基因编辑技术毫无疑问是一项伟大的工程,对于人类基因编辑技术的发展具有重要的推动作用。不过,任何一种新兴事物,我们都无法预测其带来的危害,因此在推广过程中必须慎之又慎。而未来随着 CAD 辅助基因编辑的不断完善,创造一个新生命或许真的会像画画一样简单。

参考资料:

https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/ethics/with-this-cad-for-genomes-you-can-design-new-organisms

https://engineeringbiologycenter.org/

https://www.genome.gov/human-genome-project

https://science.sciencemag.org/content/366/6463/310

https://lsspjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40504-018-0077-y


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