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科技前沿的中国力量:“复制生命”与“简化生命”

记者白杨北京报道

在11月4日召开的2018腾讯WE大会上,除了探索浩瀚宇宙的话题之外,两位来自中国的科学家——中科院上海植物生理生态研究所合成生物学重点实验室主任覃重军、中科院神经科学研究所所长蒲慕明还分别分享了有关生命科学的前沿内容。

8年前,科学史上第一个人工合成的细胞诞生,其意义深远。而今年,覃重军团队又开创了合成生物学的又一个里程碑,他们将酿酒酵母16条天然染色体融合为1条超级染色体,创建出国际首例人造单染色体真核细胞。

与第一个人工合成细胞所实现的“复制生命”不同,覃重军团队此次进行的是“简化生命”的工作。而这,也使人工酵母有望成为寻找衰老和癌症治疗方法的利器。

蒲慕明于1999年创建中科院神经研究所并担任所长至今,在他的带领下,中科院神经所在科研机制和科学文化等方面都进行了革新,并推动了中国神经生物学研究的进步。

2017年年底,中科院神经所成功实现全球首例猕猴体细胞克隆,这一难题曾困扰全世界科学家20多年。不仅如此,蒲慕明还是中国脑计划的领军人物,该计划将让人类进一步了解大脑,并为人工智能的发展奠定基础。

蒲慕明告诉21世纪经济报道记者,现在的人工智能有很多局限性,它属于专用性的人工智能,而不是通用型的。未来,人工智能的前沿发展将是类脑人工智能,即像人类大脑一样去发挥最高极限的智能。

“脑计划的实施,就是要进一步去了解大脑基本环路,然后将脑科学应用到人工智能,只有这样才能设计有效的人工网络算法。这才是人工智能未来的前景。“蒲慕明表示。

“简化”生命

据覃重军介绍,自然界中的生物可以分为两大类:一种是原核生物,它只有一条环型染色体,通常只能在显微镜下才能看到;第二种是真核生物,它的跨度很大,从人类到植物、真菌、酵母都属于真核生物。

与原核生物不同,真核生物拥有多条线型染色体。比如人类有23对染色体,狗有39对染色体,水稻有12对染色体,酵母则有8对染色体。可以看出,原核生物和真核生物之间最显著的差异,就是染色体数量和构型。

因此,覃重军提出了一个设想,即能否创造一个真核生物,它只有一条染色体,并且让所有的生长、繁殖信息都在这一条染色体上。当然,如果创造出来,也一定保证这个生命是可以好好存活的,才有价值。

最终,酿酒酵母成为了覃重军的实验材料。他表示,一方面,酿酒酵母很特殊,它属于最低等的真核生物,但它竟然有16条染色体;另一方面,酿酒酵母的研究会有很大的应用价值,日常生活中的啤酒、面包都与它有关。

从2013年开始,覃重军率领团队研究了近5年。他们利用基因编辑技术CRISPR-Cas9,切掉酿酒酵母基因组内大量的重复序列,并敲除原染色体的多个着丝粒和端粒,最终将酿酒酵母的16条染色体首尾拼接合成为1条超级染色体——它的长度接近原染色体的10倍。

最让覃重军惊讶的是,他们造出的这个生物,染色体结构发生了巨大的变化,但它的细胞生长和细胞形态却跟天然的几乎一样。覃重军称,通过分析背后的原因和机制,我们或许可以推演酵母如何进化,并用这种极简生命来理解如人类般更为复杂的生命,这为研究生命本质开辟了新的方向。

此外,覃重军还表示,人类衰老、基因突变等都已确定与染色体两端的保护结构“端粒”的长度有关,但人有46条染色体92个端粒,研究起来会很复杂。而这个人造的酵母只有1条染色体2个端粒,用它去探索解决疾病的新路,效率会大大提升。

中国“脑计划”

近几年,美国、欧盟和日本陆续提出了大型脑科学研究计划。而中国科学家也在筹划一个中国的脑科学计划。

据蒲慕明介绍,中国脑计划将是“一体两翼”的结构。其中“一体”代表主体的基础研究,即了解大脑的结构,它的工作原理是什么,从而理解大脑的认知功是如何实现的。而“两翼“是实现两个社会需求:一是找到脑疾病的诊断和治疗方法,二是推动人工智能进一步发展。

蒲慕明表示,中国的脑计划已经准备了4年多,但至今还没有启动,是因为要做一个大计划,且是2030年的国家大计划,所以需要准备充分。“政府部门非常重视这个项目,2030重大专项也在积极准备中,相信很快会有所宣布。”

虽然跟国际相比,中国脑计划的起步会较晚,但在蒲慕明看来,中国的准备会更加充分,涉及面也会更广,将涉及从基础的临床到类脑人工智能的研究等。不仅如此,在脑计划筹备之初也形成一个共识,即中国要有所为、有所不为,所以这个脑计划要在发挥中国的优势的基础上,还真正对社会有用处、有贡献。

目前,基于中科院神经所的研究突破,世界首个体细胞克隆猴“中中”及第二个克隆猴“华华”已于2017年年底在中国诞生。蒲慕明表示,猕猴是最靠近人类的试验动物,理解它的结构就更容易理解人的结构。“因此,我们把做出猕猴的全脑图谱作为一个目标,这实际也是中国脑计划的目标。”

据蒲慕明透露,“中中”和“华华”这两个克隆猴将不会用于做实验。“它们的任务完成了,就是证实这个途径的可行性,现在与野生猴生活在一起,普通人根本分不清楚。”但蒲慕明进一步说道,两个月内,他们将公布一批新的克隆猴。值得注意的是,即将公布的克隆猴是带着疾病的,这也意味着克隆猴将开始应用于医药研究。

“现在的脑科学,就相当于20世纪初期的物理学和化学,那时候,很多重大的物理学发现都没有出来,但传统的理论已经非常成熟。现在的脑科学就是这个样子,很多重大技术还没有被突破,但我们已经看到了曙光。”蒲慕明表示。

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