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分子生物学对生命的启示/宣大卫

                    

 

文/宣大卫

 

【作者按】

分子生物学(Molecular Biology)是以分子的眼光看生物,或剖析生命现象到分子的层次。生物化学则专注于探讨生物体内的化学反应与变化。因此,分子生物学与生物化学两者密不可分。

生物化学,历史久远得多,常以法国科学家安塞姆·佩恩(Anselme Payen),在1833年首次分离出淀粉水解酶(Amylase)并确认其功能(分解淀粉成为糖分子),作为开启生物化学的里程碑。所谓的“Enzyme”酶(或称为酵素),是催化加速化学反应的蛋白质,也是生物体内化学反应不可或缺的关键角色,没有它,就不可能有生命现象。

分子生物学,则萌芽于约百年后对基因的探讨,因此又被称为基因分子生物学。常以1953年,在英国剑桥实验室(现称为 MRC Laboratory of Molecular Biology)的弗朗西斯·克里克(Francis Crick)及詹姆斯·沃森(James Watson),解开了DNA分子的双螺旋结构(Double Helix Model of DNA),为其关键里程碑。

本文尝试浅显地为您解说分子生物学的主要发现,及它对解开生命奥秘的启示。

 

精妙的基因与蛋白质

地球上的所有生物,都有两种基本特性:一是能进行新陈代谢、自外界获取能量,以开展各种生命现象与活动;二是能自我复制、透过有性或无性生殖、不断地繁延自我、代代相传。分子生物学的主要发现、生命现象的基石,可以用“分子生物学的中心法则”来说明(图1)。

图1

简要来说,生命现象的根源在于基因的存在。基因是生物体的遗传密码,大多为DNA的型式(极少数为RNA分子,如COVID-19);要发挥生理功能,DNA分子需先透过转录作用和转译作用,形成参与各种生命现象、发挥生理功能的蛋白质分子。

此外,DNA分子也有自我复制作用,而且从基因到蛋白质的每一个环节,都还有极为精致的调控,来应对生物体的各种需求。据说,在1960年至2010年的50年间,是人类文明史上少有的黄金年代。所有生命现象的关键,几乎都于此时定调,包括:

1、世上具代表性的各种生物,都完成了基因体DNA定序(Genome Sequencing);人类基因体计划(Human Genome Project)自1990年开始,2003年完成初稿,直至2022年初,才补齐了Y染色体DNA定序,人类对自我的认识迈进了一大步;

2、透过母系遗传的线粒体DNA,及父系遗传的Y染色体DNA的定序与族群分析,分子人类学家认为人类共同的祖先,约于20万年前起源于非洲,称之为“线粒体夏娃”(有关人类起源假说中,仅有此具备现代科学数据);

3、几乎所有的人类蛋白质药物(如生长激素、干扰素),都已借着基因工程,利用细菌、酵母等低等生物,完成了量产、造福了人群;

4、许多人类遗传性及传染性疾病(如冠状病毒),都可借着检测DNA加以确认,甚至还尝试了治疗遗传疾病的基因疗法;

5、高等生物细胞,除了能自我复制,还有细胞自噬(Autophage)及凋亡(Apotosis)两种机制,来进行自我更新。自噬是将受损的细胞器、错误折迭的蛋白等,送至细胞内的溶酶体(Lysosome)降解。细胞凋亡则是细胞主动实施的计划性死亡,在凋亡过程中细胞缩小,DNA被核酸内切酶(Restriction Enzymes)降解;

6、许多重要的基因转录与转译作用,都有赖于精巧的调控机制,它们都被深入地研究探讨,结果充分显示出生命现象的复杂性,及其背后可能的超自然的精密设计。

以上这些事例,都在提醒我们生命绝非偶然的产物,更非进化而来,而是出于创造主精心地设计与创造。正如圣经中所述:“自从造天地以来,上帝的永能和神性是明明可知的,虽是眼不能见,但藉着所造之物就可以晓得,叫人无可推诿。”(《罗马书》1:20)

 

太多的未知是无解的难题

作为一名专业的生物科技工作者,从生化到分子生物,从基因工程到蛋白体研究,笔者一直都认为生命现象奇妙无比,也一直都觉得人类能懂得的实在十分有限。有时猜想大科学家爱因斯坦的名言“I know one thing, that’s I know nothing”(我知道一件事,那就是我什么都不知道),可能并非他的自谦之词,而是肺腑之言。

看看在每个分子生物实验室,常被作为模式生物的大肠杆菌(E. coli),它的基因体共约460万的每个碱基对(base pair,简称bp),我们都知道得清清楚楚,但仍有1/3的基因至今仍不知其功能为何。这只是冰山一角,太多的未知是人类必需承认的无解的难题。

华人常说“人为万物之灵”,相信人是天下生物中最复杂、最灵巧的。从基因体的大小来看,人类基因体有32亿bp,果真远超过了大肠杆菌的bp数值(图2)。但是比起一种叫衣笠草的小花的1490亿bp,及无恒变形虫的6700亿bp,却又小巫见大巫。

图2

难怪智慧如所罗门王,早在3000年前,就心领神会地写道:“神造万物,各按其时成为美好,又将永生安置在世人心里。然而上帝从始至终的作为,人不能参透。”(《传道书》3:11)身为受造者,人怎可明白造物主呢?怎能明白上帝的奇妙大工呢?

 

世上最小的生命个体

猪肺炎霉浆菌(Mycoplasma hyopneumoniae),曾是笔者返台后首遇的研究对象。因为霉浆菌没有细胞壁、个头又小(有如大号的病毒),如感染人类生殖泌尿道的Mycoplasma genitalium霉浆菌,其基因体只有58万 bp,约为大肠杆菌460万bp的1/8 (图3)。

图3

所以早在1984年,耶鲁大学分子生物物理系的Morowitz HJ就提出“最小单元格”(Minimum Cell)的想法,希望在霉浆菌中,寻找基因体最小的生物,探索世上最基本的生命形式 [1]。

经过多年努力,到了2016年,专项研究取得了总结性的成果 [2] [3]。如图3所示(此图最右侧一栏Total-NE,意为Total全部基因、减去NE非必要基因,亦可以Total E、所有必要的基因来表达):这个目前所知世上最小的“新生命个体”,它的基因体仅为53.1万 bp,共有473个基因,其中有48个基因为非必要,425个基因是必要基因。

经过约30年的努力,科学家们发表了约2000篇论文,让我们看见连这世上最小的生命个体,都需要如此多的必要基因(425个)、如此多量身订制的维生本钱。我们只能惊叹生命如此精致,并思索它们来自何方?

不但如此,上述那些DNA基因及功能蛋白质大分子,都有本文并未触及的、既复杂又精准的3D结构;它们还都非常娇贵。周遭环境的温度、酸碱度、离子浓度,都必需适宜,否则它们可能罢工,甚至崩解。最小的生命个体,除了上述那些DNA基因及功能蛋白质大分子,还都需要有细胞膜帮助形成生命个体。没有细胞膜(其组成亦受基因控制)、将细胞内物质与外界隔离,上述只能成了一锅粥。此外,还不能痴痴地等着那漫长的演化过程,将之一一拼凑出来。基因、功能蛋白质大分子、细胞膜,必须三合一,同时具备、同时存在,才可能造就出一个世上最小的生命个体。

 

结语

综合人类在生命科学领域的努力,对生命现象的了解,在21世纪的今天,已经达到了顶峰。分子生物学能启示给世人的,简而言之,就是:世上任何一个生命个体,都充满了奇妙的设计,而且是在剎那间、无中生有、说成就成,远超过人类的智慧与想象。

所以,“创造”已经成为解释生命形成的唯一选项。笔者在分子生物科学领域晃荡了40年,常能感受到生命现象之奇妙,也常能从内心深处发出赞叹。

 

作者专业背景介绍:作者毕业于台湾淡江大学及纽约州大化学系,获得PhD。后在斯坦福大学研习基因分子生物,曾于加州Cetus公司(当年全美第二大生技公司)担任研究员,负责在链霉杆菌中表达可能激发人类免疫反应的介白素(Interleukin-2)蛋白药物。1988年返台,加入台北生物技术开发中心,从事基因重组生产色胺酸及猪肺炎霉浆菌DNA分子疫苗的研发。

 

注:

[1]. Morowitz HJ. 1984. The completeness of molecular biology.  Israel J Med Sci .  20: 750-753.

[2]. Hutchison CA, Chuang RY, Noskov VN, Assad-Garcia N, Deerinck TJ, Ellisman MH, Gill J, Kannan K, Karas BJ, Ma L, et al. 2016.  Design and synthesis of a minimal bacterial genome.  Science  351: aad6253.

[3]. John GlassChuck MerrymanKim Wise,  Clyde Hutchison, and  Hamilton Smith. 2017. Minimal Cells-Real and Imagined (Review). Cold Spring Harb Perspect Biol.  9(12): a023861.

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