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合成生物学建构进路与可持续发展
2019年03月26日 09:16 来源:中国社会科学网-中国社会科学报 作者:冀朋 雷瑞鹏 欧亚昆 字号

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  2000年,《自然》杂志刊载了人工合成基因线路的研究成果。同年,在美国化学学会年会上,库尔(Eric T. Kool)首次提出合成生物学的概念。他认为,合成生物学是在继承系统生物学思想和方法基础上,进一步发展了生物遗传工程,是将系统论思想和工程学方法运用于基因与细胞工程等生命科学研究。

  合成生物学的发展现状和应用前景

  目前,合成生物学主要有三种研究进路:一是以文特尔(J. Craig Venter)为代表的建构进路(construction approach),设计、建构完全的有机体,如大片段DNA和完整的基因组;二是以恩迪(Drew Endy)为代表的零件议程(parts agenda),通过设计、构建和组装标准化、模块化、工程化的生物元件建构生命体或生物系统;三是代谢工程(Metabolic engineering),通过对细胞代谢途径进行设计、改造以及结合基因调控、代谢调控和生化工程,实现建构新的代谢途径,从而生产具有特定功能目标的产物。

  合成生物学的三种研究进路对基础研究和应用研究都具有重要影响。例如,在合成大片段酵母染色体的过程中,技术突破和知识创新成为可能,这为人类进一步了解生命的起源、涌现性(Emergent properties)、结构、功能及其相互作用关系等生命科学的基础问题提供了新的途径;标准化的“生物砖”(Bio Bricks)可以像电子零件精密地组装成一台能行使特定功能的计算机,而许多种由生物砖组装成的装置就可以建构出一个可以精确计算各种复杂事件的合成系统,从而提高医药工厂的生产效率和降低医学试验的错误率;代谢工程可以使用微生物生产出我们所需要的化学物质,像转基因酵母合成的青蒿酸,作为青蒿素的前体物质,能大幅提高青蒿素的生产量,从而降低治疗疟疾的费用。当然,合成生物学的影响远非如此,“在医学、制药、化工、能源、材料、农业等领域均有广阔的应用前景”。

  合成生物学与生命的揭秘

  2010年,克雷格·文特尔研究所宣布成功建构出完全由人工合成基因控制的单细胞细菌“辛西娅”(Cynthia),从而开启了人类设计、建构生命的新纪元。这一设计和建构生命有机体的行为一度引起世界范围的讨论和关注,既冲击了宗教信仰者的神坛,引起神学家的指责和信徒的恐慌,也挑战了传统的生命观,让热爱生命的人开始重新思考生命的本质问题。具体而言,合成生物学家人工制造合成DNA和基因组不仅引来宗教界试图“扮演上帝”(playing god)的指控和在生命科学界挑战了生命的定义与对生命的理解,而且敦促人类加快揭秘生命黑匣子的步伐,以不同于传统的建构进路,通过创造生命的方式来理解生命。正如费曼(Richard P. Feynman)所说,“我不能创造的东西,我也无法理解”。自此,人工与自然、生物与机器、人与非人的界限问题开始成为21世纪生命哲学领域最重要的问题。同时,设计、建构生命的方式也为人类了解生命的本质问题(如生命起源、进化、结构和功能等)提供了一条自主建构的进路。

  “扮演上帝”的提法出自琼·古德菲尔德的《扮演上帝的角色:基因工程和对生命的操纵》,开始是反对利用基因技术来改变基因和操纵生命。因为,基因是生命的基底,是生命繁衍和进化的根本所在,人类肆意改变基因,不仅存在破坏生命密码所带来的不确定性风险,而且使人类的基因池面临被污染的威胁。但也有质疑这种提法的观点,认为“上帝已死”,生命掌握在人类自己的手中,人类有权设计和改变自己的基因。不管是为了更加健康长久地生存,或是为了“订制”想要的后代,又或是为了完全了解生命的起源、进化和目的的根本奥秘,这些想法都符合人们正常的心理,是人之常情。至于说,合成生物学设计、建构生命的行为挑战了生命的定义和人们对生命固有的理解,在文化意义上,这种说法并不具有普遍性,因为不同群体对生命的理解往往存在不同图式。比如,科学家的理解图式是数据和模型,哲学家的理解图式是思辨和类比,艺术家的理解图式是隐喻和想象,等等。

  在科学意义上,生命的定义依赖科学实证,生命作为实体性存在,是科学共同体的集体承诺。科学的发展是历史的、可错的、可修正的,同样也是开放的、综合的、可建构的。生命的定义在分子生物学时代,如迈尔(Ernst W. Mayr)对生命本质的八项规定,在合成生物学时代就需要修正。其一,并非所有机体都拥有历史上进化来的遗传程序,因为基因可以被人工设计、合成,人类已经制造出非自然的核苷酸;其二,并非所有有机体都是自然选择的产物,人类通过修饰、改变乃至完全合成新的基因可以建构非自然的生命有机体,自然进化已遭到人类的干预。在此意义上,生命的定义随着科技发展,或许也应走一条建构的路径。

  合成生物学与“建物致知”

  合成生物学最初的合成与建构思路是为了高效生产创新应用的产品,为医药、能源、化工、材料等行业创造更大的经济价值,即“建物致用”。通过合成、建构新的生命有机体或生物系统了解生命的中心法则,促进生命知识和合成技术的创新,即“建物致知”。合成生物学的“建物致知”反映了科学家群体对生命、自然的形而上思考和对生命本身的奥秘进行终极追问的不懈探索。不同于人文学者基于概念分析和生活经验对生命本质问题的探索,科学家通过合成生物学可以用创造生命的方式理解生命、用建构自然生物系统的方式理解自然。而用新的知识和技术反过来推动设计、建构新的生物元件或生物系统,即“以知建物”。合成生物学应遵循一条“建物致用→建物致知→以知建物”的可持续发展思路。

  从分子生物学到系统生物学,一直以来生命科学研究都遵循“提出科学假设—观察描述实验现象—分析实验数据—得出可靠结论”的方法。这种分析还原的思路为人类了解生命不同层次的结构和功能提供了大量的数据成果,为人类的医疗健康、知识创新作出了巨大贡献。例如,人类基因组计划的完成,不仅绘制出人类基因图谱,而且建立了庞大的基因数据库,这将极大促进基因研究与生物制药、医疗健康、能源材料等相关行业的发展,为人类造福。但是,生命系统的复杂性难题在于,不同要素构成的整体表现出的性质大于各单个要素所有性质的加和,即生命系统的涌现性。对涌现性的解释仅仅通过分析还原的方法很难实现,而以建构的进路,在完全合成的DNA、基因组和生命体的设计、建构过程中,可以更好地理解生命的结构、功能及其相互作用关系,从而为涌现性提供更合理乃至最优的解释模型。

  总体而言,合成生物学作为一门新兴科学技术,当前尚处于发展初期。生命系统的复杂性难题仍然限制着合成生物学的发展,例如人工设计的基因回路、代谢网络等仿真程度还很有限,所能发挥的功能离天然系统尚存在较大差距。针对合成生物技术的不确定性,需要重视其“两用性”问题,政府、企业和科研机构应该加强风险控制。同时,合成生物学应坚持“建物致用→建物致知→以知建物”的可持续发展思路,不能一味追求扩张其社会经济效益的目标,还应兼顾推动生命科学的基础知识创新,以及加强科学与人文领域的合作,并尊重公众的知情权和参与权。

  (本文系国家社科基金青年项目“合成生物学的安全伦理问题及其对策研究”(18CZX020)阶段性成果)

  (作者单位:华中科技大学人文学院哲学系;华中科技大学马克思主义学院)

作者简介

姓名:冀朋 雷瑞鹏 欧亚昆 工作单位:华中科技大学人文学院哲学系;华中科技大学马克思主义学院

课题:

国家社科基金青年项目“合成生物学的安全伦理问题及其对策研究”(18CZX020)阶段性成果

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