基因工程药物

利用生物工厂的平台探索征服疾病的新方法，是我们最早的目标之一。基斯林和贝克的研究对象是疟疾和艾滋病——两种困扰人类多年的恶疾，他们致力于开发对付这两种疾病的药物。尽管我们所研究的治疗方法与他们的不尽相同，但在很大程度上，两个小组的研究都依赖于精确合成长链DNA的能力。我们的研究只是工厂化的一个代表，工厂化拥有强大的力量，必将颠覆传统的新药开发模式！

以疟疾为例，已有药物能将感染者体内的致病寄生虫彻底消灭，从而根治疟疾。这是一种小分子药物，叫做C-15倍半萜（sesquiterpene），俗名青蒿素（artemisinin），是由青蒿植物（sweet wormwood，多发现于中国华北地区）合成的天然化合物。但在植物中，天然合成的青蒿素过少，造成青蒿素的价格极其昂贵，无法推广。因此，在过去五年中，基斯林的研究小组努力克隆合成青蒿素的遗传途径，并将它插入酵母菌中，让酵母菌大量合成青蒿素。

在酵母菌中，我们还能对遗传途径进行改良，使青蒿素的合成效率大幅提高。青蒿素的合成途径叫作甲羟戊酸途径（mevalonate pathway），目前，我们已经能够对途径中的关键基因进行重新设计。较之细菌中的原始途径，关键基因的改变可使青蒿酸（amorphadiene，青蒿素的前体）的产量提高10万倍！但这仍然不够，要使青蒿素得到广泛应用，必须进一步提高产量。这就需要我们对整个青蒿素途径进行综合重建。

整条遗传途径由九个基因构成，每个基因的平均长度约为1,500个核苷酸。因此，我们所构建的每个新途径大约包含13,000个核苷酸。另外，还需要制造每个基因的突变型，再对不同基因的突变型进行组合，挑选出最优组合。假若为每个基因制造两种突变型，那么，我们就得合成29即512条遗传途径，共约600万个核苷酸！对于传统DNA合成技术，这项任务无疑难于登天；而对于基因芯片合成技术，这不过是小事一桩。

工厂化技术不仅可以用于大规模合成基因网络，还可以用于创造新型蛋白，例如化学合成反应或治理环境污染所使用的新型催化剂，以及用于基因疗法或杀灭病原体的高特异性酶。贝克的研究小组正在开发一种计算机设计法，用于设计新型蛋白结构。他们已设计出两种新型蛋白，可以模拟人类免疫缺陷病毒（HIV）表面的重要特征。目前，这两种蛋白已作为候选疫苗，并进入了测试阶段。

计算机辅助设计法也有局限性：不够先进，不能保证设计出来的所有蛋白都具有期望中的功能。但计算机可以设计出成百上千的、有希望的候选蛋白，供我们试验。如果把这些蛋白结构转化为相应的基因序列，那就需要合成上百万的核苷酸。对于现今的技术，这是一个困难而昂贵的方案，但利用工厂化技术，可以毫不费力地完成任务。

上述针对疟疾和HIV的DNA、蛋白质合成研究表明，这种以生物工厂技术为基础的方法，可用于对付更多的疾病，包括新出现的疾病。比如，将高效而廉价的DNA测序方法[参见《环球科学》2006年第2期P.14乔治·M·丘奇《1000美元测出你的基因组》一文]与工厂合成能力相结合，我们就可以快速鉴定新型病毒（如SARS病毒）或新型流感病毒，然后再以现有技术难以企及的速度，制备相应的蛋白疫苗。

当然，生物工厂并非只是一个高速合成技术的集合体，而是一种方法：不仅对现有生物机器进行思索，而且借用工程学的语言和方法,构建新型生物机器。

生物零件

2000年，当时就职于美国普林斯顿大学（Princeton University）的迈克尔·埃洛威茨（Michael Elowitz）和斯坦尼斯拉斯·莱布勒（Stanislas Leibler），以及美国波士顿大学（Boston University）的柯林斯、蒂姆·加德纳（Tim Gardner）和查尔斯·坎托（Charles Cantor）等人，利用生物零件(biobrick)制造了第一批基本电路元件：一个环形振荡器和一个扳键开关。他们的研究代表了人造功能性生物电路的首次成功。而早在1975年，科学家们就已经知道，自然界的生物正是利用此类电路来调控它们的基因——从知道到成功，科学家们用了整整25年的时间！

埃洛威茨和莱布勒的环状振荡器很好地阐释了何为生物电路。振荡器的基本电路是一个质粒（plasmid，环状DNA），该质粒带有三个基因：tetR、lacI和λcI，分别编码三种蛋白：TetR、LacI和λcI。任何基因翻译成蛋白质的首要条件是，聚合酶（polymerase）与基因上游区域的启动子（promoter）结合。随后，聚合酶将基因转录为信使RNA（messenger RNA），然后信使RNA被翻译成蛋白质。如果聚合酶不能与启动子结合，那么基因就不能被翻译，也就不能生成蛋白质。

埃洛威茨和莱布勒给三个基因的蛋白产物分配了特殊的任务：选择性地与另外一个基因的启动子结合。如此一来，LacI蛋白与tetR的启动子结合，λcI蛋白与lacI基因的启动子结合，而TetR蛋白则与λcI基因的启动子结合。这种关联性使得一个基因的蛋白产物能够阻遏聚合酶与另一个基因的启动子结合。因此，这三种蛋白的生成构成了一个振荡循环：大量LacI蛋白的生成抑制了tetR基因的表达；TetR蛋白的缺失使λcI基因得以表达；而λcI蛋白又抑制LacI蛋白的生成，这个过程不断循环。

若将该循环中的一个基因与表达绿色荧光蛋白的基因相连，再将整个电路转入一个细菌中，那么你就会发现神奇的一幕：这个细菌会像节日彩灯般闪烁！与之相似，柯林斯小组最新研制的基因扳键开关也可用于细菌的程序化：一旦细菌的DNA受损，那么在细菌周围就会出现一种跳跃着绿色荧光的“菌苔”！