克雷格凡特(Craig Venter)談論DNA與海洋

演講開始之前，我遇到幾個人 問我對於老化議題的看法 關於這個問題我唯一的 看法就是 樂觀的人比悲觀者要活的久的多 (笑聲)

在這18分鐘內我將告訴各位的是 我們如何從破解基因編碼 進步到可以開始 自己編寫基因編碼 僅僅是10年前的同一個月 我們公佈了第一組取自一種 非寄生有機體的基因序列 叫做嗜血桿菌 它將原本耗時13年的 基因計畫縮短到4個月 我們現在只需要 2到8個小時 就能完成相同的計畫 因此過去10年間，我們研究了許多基因組 大部分是人類病源體 幾種植物的基因組 以及一些昆蟲和哺乳類的基因組 當然也包括人類 回顧10多年前剛剛起步的 基因組學科進行 到今年年底，我們可能已經完成了 三到五組基因組的測序 但這只是約幾百組中的一小部分 我們最近接受了「戈登與貝蒂‧摩爾基金」資助 作為對環境有機體研究的附屬計畫 在今年進行130組基因組的測序。 對基因編碼的讀取速度已經發生變化。

但是放眼世界， 我們對地球上的萬物 仍然知之甚少。 大部份人很難意識到是因為它們是肉眼所看不見的， 但微生物佔據了地球上生物總量的一半。 所有的動物只在生物總量 佔了大約千分之一。 可能住在牛津的人們通常不會這樣做。 但是你要是去海邊， 吞一口海水， 那麼請記住每一毫升的海水中 都有大約100萬隻細菌 和大約1000萬隻病毒。

到兩年前位置，只有少於五千種 微生物被我們分類記載。 因此我們決定做些工作。 我們啓動了‘魔法師二號’海巡計畫， 進行遠大的海洋考察， 嘗試毎隔200英哩進行一次採樣。 我們先在百慕達進行前測。 然後移師到哈利法克斯， 一路往南經過美國東岸， 加勒比海，巴拿馬運河， 穿過加拉巴哥群島，橫渡太平洋， 現在我們正在橫越 印度洋的途中。 這是很吃重的工作；我們在帆船上進行此項任務， 也是希望引起年輕人的興趣 來投身科學研究。 實驗本身十分簡單。 只要取得海水、經過過濾， 通過不同的濾網來蒐集不同大小的微生物。 然後把它們的DNA帶回在岩城的實驗室， 在那裡我們可以在24小時內完成 一億個字符的基因編碼的測序。 通過這樣做， 我們有了驚人的新發現。

舉例而言，一般認為人類眼中的視覺色素 在大自然中只有一兩種有機體 擁有相同的色素。 結果發現幾乎所有生活在 氣候溫暖的地區的 上層海域的物種 都有這些感光細胞， 並且以陽光作為能量的來源 並進行通訊。 在一個地方取得的一桶海水中， 我們發現了130萬種新基因 和多達5萬種新物種。

目前我們獲得史隆基金的資助來 把這種方法應用到對大氣圈中。 測量大家每天所呼吸的空氣中 病毒和細菌的數量， 尤其是在飛機上 或是密閉的演講會場。 (笑聲) 我們利用一些簡單的儀器過濾； 僅僅一天之內我們在紐約市的一棟大樓 的樓頂就蒐集到大約10億微生物。 目前我們正在對這些微生物 的基因進行測序。

在蒐集資料方面， 當我們穿過加拉巴戈群島時， 發現基本上每隔200英里， 我們所獲得的海水採樣中的 生物種類就大不相同。 這種多樣性有時候是很合理的， 考慮到海水不同層面的水溫差異。 這是一張反應溫度的 衛星照片－紅色是溫暖的地區， 藍色則水溫較低－ 我們發現來自高溫區和低溫區的海水樣本 中的占主導數量的微生物種 顯示出極大差異。 另一件讓人頗感驚訝的是 這些色素細胞會感應不同波長的光線， 可以利用胺基酸測序來估計這些情況。 這些特質在不同的區域也產生巨大的變化。 或許不完全那麼讓人吃驚的是， 在幾乎完全只有藍色的深海中， 感光細胞比較容易看見藍色的光線。 當周圍有大量葉綠素時， 它們感應到的就是綠光。 不過情況可能有更多的變化， 很可能會擴展到紅外線和紫外線 這樣的極端的光線。

為了評估 自然界基因庫的大小， 我們匯整所有的資料 包括所有目前實地採集的樣本， 它囊括地球一半以上的生物基因資料 － 總計大約有2千9百萬組基因。 我們嘗試把它們排進基因族譜 以便獲得新的發現： 我們所發現的是已知族群中的新成員， 還是我們發現了新的族群？ 世界上大約有50，000 個主要的基因族群， 但是每一個我們從自然中獲取的新樣本 都成為這些新族群的一個分支。 因此對基礎的基因， 及其成份和對生命的研究工作 才是剛剛起步而已。

在所謂的演化樹圖上， 人類位於右上角，跟動物在同一區。 在總共的大約2900萬種基因中， 人類的基因組只具備其中 的大約2萬4千種。 如果把所有動物的基因算在一起， 我們所共有的 基因族群大概只有 三萬不到一點。 現在我並不認為這些基因 僅僅只是是進化的的設計元素。 我們從基因中心論來看－ 或許回到了理查‧達金斯的想法 而不是基因組中心論， 那是以基因為組件所構造成的不同結果。

製造DNA以及製造它們的能力 與DNA測序技術以差不多的速度 從一二十年前發展至今， 已經變得非常的省時 並且成本低廉。 我們關於人工制造基因組的想法起源 與生殖道支原體，那是在95年我們做 第二組基因組測序的時候。 我們還做了漂亮的T恤衫 上面有寫「我愛我的生殖道」 生殖道支原體只是一種微生物。 但有大約500對基因。 嗜血桿菌有1800對基因。 所以我們在想 有的物種有800對基因，有的500， 是否有更小的的基因組 是構成基本生物運作系統的基礎？

因此我們開始進行轉位子誘變。 轉位子是隨即插入基因編碼 的小段的DNA。 如果置入基因的正中間，會阻斷其功能。 我們將所有可以接受轉位子插入 的基因列在一張圖表上。 我們稱之為「非必要基因」 不過我們發現環境起到了非常重要的作用， 我們只能依據環境中 所存在的基因來定義一個基因是必要還是非必要。 是必要還是非必要。 我們還嘗試了更直接而巧妙的方法 來研究13種相似有機物的基因組， 互相比較，尋找共性。 在其重疊的特性中，我們找到了173種基因。 是這13種有機體所共有的。 如果不算其中一種細胞寄生物 共有的基因數量會略增。 如果只考慮核心基因組 還會再多一些。 大約310組。 因此我們認為可以根據目標 來將前面所提到的最少的500組的基因組 擴展或者是縮減 至300到400組。

唯一可以驗證這些想法的方法 就是製造一條包含有一些基因的染色體， 我們不得不以一種模塊式的方法來試驗。 結果發現要精確地製造 大段的DNA超難的。 史密斯和賀金森，它們是我的兩位同事， 研發出令人振奮的新方法 能讓我們在兩週內製造一隻 5000個鹼基對的病毒 基因序列和生物特性上 的精準度達到100%。 實驗非常令人振奮！就在我們將人造的DNA 植入細菌中的那一刻， DNA立刻開始運作，製造病毒粒子 反噬宿主，消滅了那隻細菌。 這不是人造病毒的首度問世－ 小兒麻痺病毒一年前成功被製出 但只有原病毒1/100的活性 并且花了3年时间来制造。 這是噬菌體Phi X-174的結構图。 這是一個軟體能打造自身硬體的實際例子， 也是我們在生物學研究中的一個目標。

談到這些人們很容易就會產生對生物武器的擔憂， 我最近在參議院委員會舉行前發表了證詞， 也參加了一個美國政府設立的的專門委員會來 監管這個領域。 我認為以對現實的深刻理解來應對 人們的空想是非常重要的。 基本上,今天任何已經完成測序的病毒 它們的基因組都可以人為製造。 人們會對馬上對伊波拉病毒或天花感到驚恐萬分， 但這種人工病毒的DNA不具傳染性。 所以即使製造出天花的基因組， DNA本身也不會造成傳染。 真正讓國安部門擔憂的 是特製的病毒。 世界上只有美國和前蘇聯兩國， 曾經投注大量資源 企圖製造生物武器元件。 如果那些研究真的被終止了， 那將來在製造設計病毒上 就應該不會再有甚麼進展了。

我認為2年內就有可能製造出單細胞生物。 且很有可能在10年內 製造出人類身上 也俱有的真核細胞。 目前我們正在製作數十種不同的構造。 因為我們可以變更這些放入 人造染色体中的序列模块和基因。 关键问题是，如何与其他的部分排列在一起？ 我们 从 这些片段着手 研发出了一个同源基因重组系统 能将这些片段组合进染色体当中

这是从一种生物上得到的启发， 它能够承受三百万拉德（輻射計量單位）的辐射並且存活下來。 在輻射爆發過後它會在12至24小時內 重組自己的基因， 在它的染色體被完全拆散後。 這種生物在地球上普遍存在， 甚至可能因為我們飛上太空 而也將它們帶進了宇宙。 這是經過50萬拉德輻射 照射過後的高腳酒杯。 玻璃開始 碎裂， 這微生物附在杯底 越發的高興。 這是一張實際狀況的照片 上邊的圖片顯示的是經過一百七十萬 拉德輻射後的基因組。 其染色體被完全粉碎。 而這邊十同樣的DNA經過 24時後自行重組。 這些生物的能耐真是令人吃驚！ 地球上大概存在着成千上萬種 不同的物種擁有 這樣的能力。 在這些基因組被製造以後。 第一步就是要將它們移植進 一個沒有基因組的細胞。

所以我們認為人造細胞將會有巨大的前景。 不光是增進對生物學科最基本的理解 希望也包括環境以及社會問題。 例如，從我們所測序的第三個生物上 詹氏甲烷鏈球菌：它生存在沸湯的水中 其能量來源於氫 它所獲得的碳元素則從周圍環境中汲取。 我們瞭解到了許多不同的可能性， 數千種不同的生物 以二氧化碳為生。 並能將其捕捉回來 與其從使用從石油中取得的 來進行製造。 我們可以選擇使用碳元素 並將它從大氣層中捕捉回來， 轉化成生物高分子 或者其他產品。 還有一種微生物是依靠一氧化碳而存活的， 我們使用它作為一種低能耗的方式 來分解水來產生氫和氧。 同樣的也是有很多的 被改造成排放出甲烷。 杜邦正在於挪威石油公司開展一項重大的項目 從天然氣田中將甲烷捕獲 並轉變成有用的商品。

不需要多久，我認為就會有一個全新的領域出現 我們成為染色體重組 因為這些新的製造能力 大量的基因群 以及同源重組方法的存在， 我想我們可以設計一個機器人， 每天可以製造或許百萬種不同的染色體。 所以，在生物學的試驗中， 你可以通過篩選來達到目的。 無論是想要獲得產生氫氣的特性， 或者化工生產，又或者是驗證某種生存性。 理解這些基因所發揮的功能 將會變得非常容易。

我們正在嘗試修改光合作用的過程 當被當陽光照射後直接產生氫氣。 光合作用是由氧氣來調節的， 我們認為有一種氧不敏感的 氢化酶將會完全改變這個過程。 我們也在進行纤维素酶的混合， 將複雜糖分子拆解成簡單糖分子的酶 在同一個培養皿里一起發酵 來製造乙醇。 利用微生物進行製藥生產 的實踐早已在各大 實驗室里展開。 這些從自然環境的組成部份中 獲的藥品比任何世界上最好的藥房 所生產的還要複雜許多。 我認為將來通過改造的物種 可以成為食物的來源， 希望也可以是能源的來源， 環境的補救措施 或許 替代整個化工行業。

請讓我以倫理以及政策的研究來做結尾。 在1999年我們延遲了試驗的開始 直到我們完成了一個一年半的生物倫理審核 是否應該嘗試製造人造物種。 每一個主要的宗教都參與了這個審核。 其實這是一個非常奇怪的研究， 因為各種宗教領袖使用他們的教義作為律法， 卻找不到任何關於禁止創造生命的條款， 所以這方面就沒問題了。最終的 卻是生物戰的方面的擔憂， 為我們亮起繼續 這些試驗的綠燈。

史隆基金會為此剛剛資助了 一個多機構的研究項目， 來分析出該項技術對社會而言所存在的風險與益處， 以及各個科研團隊就比如我自己的團隊 所應該在這個領域遵守的準則。 隨著前進過程中我們試着樹立起一個好的榜樣。 有許多復長複雜的問題。 不包括生物恐怖襲擊的威脅， 那些其實是簡單的多的狀況。 是否能夠設計用來產生結晶能源的物種， 甚至對發展中國家 的生產方式進行革新 提供各種便捷的處理方法。 謝謝！