美國科學家使用計算機制造出&quot虛擬細菌&quot

日期：2012-08-08 08:16:24

美國斯坦福大學的科學家和素有“科學怪才”之稱的克雷格·文特爾領導的科研小組在《細胞》雜志上撰文指出，他們首次利用計算機制造出了“虛擬細菌”，其能模擬微生物的生命軌跡和一舉一動。科學家們表示，最新突破或許有助于改進人類對疾病的理解并為疾病找到新的療法。

《每日電訊報》在報道中指出，生物學和計算機科學的聯姻讓科學家們能借用計算機腳本模擬生命，這將讓人類大大受益，并有助于回答人類最大也最基本的問題“生命是什么？”。

“代碼腳本”首次讓生物和計算機“聯姻”

自古以來，當兩種不同的科學思維碰撞在一起時，都會激起人們靈感的火花，讓人類做出更重大的科學突破，分子生物學的誕生就是如此。上世紀50年代中葉，研究遺傳學的生物學家開始同使用X射線研究物質原子結構的物理學家們合作，這場“聯姻”讓人類首次看到了DNA優雅的雙螺旋結構，分子生物學（在分子水平上研究生命現象的科學，主要通過研究核酸、蛋白質等生物大分子的結構、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現象的本質，研究內容包括光合作用、癌癥的發生等各種生命過程）這門新興學科也在1953年順勢興起，將對人類自身和疾病的研究推到更高的層次。

無獨有偶，另外兩門科學也在慢慢靠近并相互結合。其中一個科學領域是生物學，主要專注于研究DNA指令，正是這些指令決定了活體生物是如何建立起來以及如何運轉的；另一個領域計算機科學則專注于研究操作計算機運行的代碼。

備受爭議的基因組研究先鋒、美國生物學家克雷格·文特爾目前是讓這兩門科學“聯姻”的積極推手，其實，奧地利的量子力學天才埃爾溫·薛定諤早在1943年提出的“代碼腳本”這一概念正是生物學和計算機科學結合的雛形。

薛定諤于1943年發表了一場具有里程碑意義的演講，在那場演講中，薛定諤提出了一個天才性的問題：生命是什么？薛定諤問道：一個受精卵如何能獲得“一些包含了該生物未來所有發育信息的代碼腳本。”為了回答這個問題，薛定諤提出，染色體就像“非周期性（大分子）晶體”一樣，是一種由同分異構元素連續組成的非周期晶體，構成其的原子具有一個復雜的非重復性的模式；他也描述了該大分子內“原子排列有序的結合”像摩斯代碼中的劃線和點一樣，擁有建立微生物的指令。

這是科學家們首次對遺傳代碼進行嚴肅的討論，盡管與很多同齡人一樣，薛定諤也曾錯誤地認為，遺傳代碼被寫入蛋白質而非核酸中。然而，基于他1943年的演講而撰寫的《生命是什么》這本書卻給了很多人靈感。其中包括DNA研究領域的開創者、DNA雙螺旋結構的發現者之一吉姆·沃森和文特爾。文特爾在演講中表示：“薛定諤的‘代碼腳本’為未來的很多發現指明了方向。”

用計算機腳本模擬細菌

現在，文特爾正在撰寫他自己的代碼腳本——使用計算機設計基因組。他說：“我們正在嘗試利用計算機，使用遺傳代碼合成出基因組，讓計算機科學和生物學完美地聯姻。”

實際上，計算機不僅能模擬生命，也能模擬活著的細胞。幾天前，為了幫助人類理解一個細胞的復雜性，斯坦福大學的馬庫斯·卡沃特領導的科研團隊與文特爾的研究機構攜手合作，制造出了虛擬的生殖支原體細菌，并再現了該細菌的整個生命循環過程。該細菌是所有細菌中最簡單的一種，它擁有已知的活體生物中最小的基因組，并且是第二種被排序的非共生微生物。1995年，文特爾對其基因組進行了排序。

生殖支原體細菌目前已經成為首個被詳細建模的微生物，科學家們使用128臺計算機，模擬出了其525個基因中每一個基因的詳細情況，也在分子層面繪制出了該細菌從DNA到RNA再到名為代謝物的小分子的情況。

科學家們表示，虛擬細胞和虛擬細菌將幫助他們厘清生命和疾病的本質。當人們談論某個“癌癥基因”時，其意思是，他們發現了一個基因，當該基因出故障時，會引發癌癥。但是，當人們詳細研究一個癌細胞時就會發現，體內2.3萬個基因中的大部分基因都會受到影響，模擬基因組的整個工作情況，對于理解造成疾病的遺傳原因至關重要。

文特爾表示，用計算機來模擬生命、設計生命并“再現生命”，標志著科學研究將跨入一個新領域，借此，人類會比以往更接近“生命是什么”這一終極問題的答案。