生物積木（生物積木）

概念

生物積木（BioBricks）

據(jù)說，湯姆·奈特關(guān)于生物積木的靈感，來自一種名叫“樂高”的游戲。這種發(fā)源于丹麥的塑料積木游戲，不同形狀和顏色的積木之間，可以通過凹凸接口連接起來。發(fā)揮兒童的想象和創(chuàng)造才能，可以拼裝出各種各樣的造型，因此被稱為“魔術(shù)塑料積木”。

而所謂的“標(biāo)準(zhǔn)生物積木”，是一些簡(jiǎn)單拼裝好了的，具有特定功能的DNA小片段——也可以看成具備某種性狀的積木單元。

研究歷史

早在20世紀(jì)90年代中期，文特爾就開始和同事籌劃如何把生命分解到最基本的單元，然后重新拼裝出新的生命來。所謂的“最小化基因組工程”，就是其最著名的研究計(jì)劃之一?？茖W(xué)家克萊格·文特爾建立了以自己名字命名的私營(yíng)研究機(jī)構(gòu)——位于華盛頓郊區(qū)的克萊格·文特爾生物技術(shù)研究所。

在此情況下，恩迪和奈特以及雷帝·賴特貝格、格納德·蘇斯曼在2003年共同創(chuàng)立了“國(guó)際合成生物學(xué)大賽（IGEM）”，用以鼓勵(lì)利用生物積木拼裝“智能”的生命系統(tǒng)。

2005年舉行的第一屆合成生物學(xué)大賽上，參賽選手利用生物積木創(chuàng)造出了很多令人稱奇的新鮮事物。包括人造血液，一種探測(cè)砷的生物傳感器，以及能夠在培養(yǎng)皿中像“有生命的計(jì)算機(jī)”那樣解開數(shù)學(xué)難題的細(xì)菌。

2006年，一隊(duì)本科生選手利用生物積木為大腸桿菌重新編程，讓它們?cè)谏L(zhǎng)過程中聞起來像冬青樹，而成熟之后氣味如香蕉。他們把該拼裝成果命名為“香水菌”。

2008年，參賽者多達(dá)1000余名，來自2 1個(gè)國(guó)家。斯洛文尼亞的獲勝團(tuán)隊(duì)利用生物積木重新拼裝，制造出了幽門螺桿菌的疫苗。幽門桿菌是一種寄生在胃部的細(xì)菌，它可以引起胃癌，現(xiàn)在還沒有找到適用于人類的此種疫苗。

截至2008年，文特爾和他的同事一起，已經(jīng)“拼接”出了無數(shù)的DNA片段——這是“生物積木”的最初原型。

2009年的盛況更是空前，最后的獲勝者是來自劍橋大學(xué)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。他們發(fā)明了一種稱為“E.變色桿菌”的東西，這是通過大腸桿菌重新拼裝“生物積木”而得出的新生命體，它可以應(yīng)激外界環(huán)境的不同毒素，呈現(xiàn)五種不同的色彩來。

原理

生物積木的拼裝誤差和計(jì)算機(jī)元件的組裝有所不同，前者是活的，具有生物進(jìn)化的傾向，因此在繁殖的過程，其誤差是不可預(yù)測(cè)、不可控制。

打造方式

HST研究人員將細(xì)胞封裝在具備諸多醫(yī)學(xué)應(yīng)用的聚合物聚乙二醇（PEG）中，打造出“生物積木”。他們采用的是液態(tài)形式、光照下變?yōu)槟z的聚合物，所以當(dāng)涂敷聚乙二醇的細(xì)胞見光時(shí)，聚合物固化并將細(xì)胞包裹在其中，形成邊長(zhǎng)100到500微米的立方體。

一旦細(xì)胞形成立方體形式，就可以用模板將其布置成特定形狀，模板由聚合物硅橡膠（PDMS）制成，該材料在多種醫(yī)療設(shè)備中均有應(yīng)用。模板和細(xì)胞立方體一起再次涂敷聚乙二醇，隨著聚合物自身牢牢附著在模板表面，它就像膠水一樣將細(xì)胞立方體粘和在一起。

應(yīng)用

由麻省理工學(xué)院—哈佛大學(xué)健康科學(xué)與技術(shù)系打造的聚合物立方體的半球。

長(zhǎng)久以來，生物組織工程學(xué)一直誓言要打造出新器官，以取代壞損肝臟、血管和其他身體部件。然而，如何使得細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中長(zhǎng)成三維形狀而不是平層成為一個(gè)主要障礙。麻省理工學(xué)院—哈佛大學(xué)健康科學(xué)與技術(shù)系（HST）的研究人員已經(jīng)提出了一個(gè)新方法來克服這一挑戰(zhàn)：將活體細(xì)胞封裝在立方體內(nèi)然后布置成三維結(jié)構(gòu)，就像孩子用積木搭建房屋那樣。

這項(xiàng)被稱為“微砌體（micromasonry）”的新技術(shù)采用一種類似混凝土的凝膠樣物質(zhì)，使得細(xì)胞隨著它固化一同成為“磚塊”。這種微細(xì)胞磚具備打造人工組織或其他類型醫(yī)療設(shè)備的潛力。這項(xiàng)新技術(shù)則不需要任何特殊設(shè)備，可以在任何一間實(shí)驗(yàn)室復(fù)制應(yīng)用該技術(shù)。

用此方法可實(shí)現(xiàn)毛細(xì)血管功能的管狀組織，或有助于克服人造器官工程最持久的問題之一，即缺乏及時(shí)的血液供應(yīng)。

要使得這些人造組織得以臨床應(yīng)用，短期內(nèi)的下一步就是要關(guān)注不同細(xì)胞類型和組織生長(zhǎng)的可行性。研究人員現(xiàn)在正在這樣做，而且他們還探索了不同聚合物的應(yīng)用，用以替代聚乙二醇并對(duì)細(xì)胞定位提供更多的控制。

擔(dān)憂

生物積木所面臨的一個(gè)困難是它所固有的生物進(jìn)化傾向。一個(gè)電器部件，一旦設(shè)計(jì)完成，就可以在工廠中可靠地制造出來；而生物積木需要繁殖，而非制造，這個(gè)過程中可能產(chǎn)生一定范圍的誤差。同時(shí)，其他研究人員熱衷于同那些更為天然的“部件”打交道，盡管，他們采用不那么傳統(tǒng)的方式來組合這些天然部件。

此外，生物積木開放的形式，一旦落入黑客之手，制造出前所未有的超級(jí)細(xì)菌，給人類帶來的影響或許是毀滅性的。合成生物學(xué)以及其初級(jí)形式——轉(zhuǎn)基因技術(shù)，帶給人類的倫理爭(zhēng)議基本相同。