DNA生物學(xué)的“建筑材料”——生物學(xué)家埃里克·溫弗里談DNA獨(dú)特的化學(xué)特性說(shuō)課材料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。DNA生物學(xué)的“建筑材料”生物學(xué)家埃里克溫弗里談DNA獨(dú)特的化學(xué)特性-DNA：生物學(xué)的“建筑材料”生物學(xué)家埃里克溫弗里談DNA獨(dú)特的化學(xué)特性方陵生/編譯電子計(jì)算機(jī)的威力人所盡知，但涉及到與物理世界有關(guān)的復(fù)雜任務(wù)比如某種昆蟲(chóng)的構(gòu)成還得寄望于對(duì)DNA的深入研究。曾于2000年獲得“麥克阿瑟天才獎(jiǎng)”的埃里克溫弗里（ErikWinfree），一直在潛心研究存儲(chǔ)遺傳生命信息的DNA；而人類的細(xì)胞正是利用這類遺傳分子的信息來(lái)構(gòu)建蛋白質(zhì)，形成了我們的身體結(jié)構(gòu)并做著與生命存在相關(guān)的幾乎所有工作。目前，溫弗里正在利用DN

2、A獨(dú)特的化學(xué)特性，旨在使其像計(jì)算機(jī)那樣來(lái)處理信息（被稱為DNA分子計(jì)算或DNA分子編程的新穎學(xué)科），甚至以DNA分子為“腳手架”構(gòu)建起有用的結(jié)構(gòu)。不久前，溫弗里就其對(duì)生命起源的理解以及DNA的化學(xué)特性對(duì)未來(lái)可能產(chǎn)生的影響，接受了發(fā)現(xiàn)雜志資深編輯斯蒂芬卡斯（StephenCass）的采訪。埃里克溫弗里旨在對(duì)分子進(jìn)行編程卡斯：您所從事的研究領(lǐng)域是生物分子計(jì)算，具體是些什么呢？溫弗里：對(duì)于不同的研究者來(lái)說(shuō)，具體研究對(duì)象也有所不同。對(duì)于我來(lái)說(shuō)，意味著去弄明白這樣的問(wèn)題，即化學(xué)系統(tǒng)也可以進(jìn)行信息處理，也可以通過(guò)設(shè)計(jì)去執(zhí)行和完成多種任務(wù)。我的一個(gè)研究思路就是類推法：我們可以設(shè)計(jì)出執(zhí)行各種信息處理任務(wù)的計(jì)算

3、機(jī)，當(dāng)這些計(jì)算機(jī)與電子機(jī)械控制系統(tǒng)連接在一起時(shí)，往往能夠發(fā)揮出特殊的作用。例如，你可以從一臺(tái)攝像機(jī)獲得輸入信息，你也可以將信息輸出到電動(dòng)機(jī)上。生物分子計(jì)算的目標(biāo)是要開(kāi)發(fā)出用于化學(xué)系統(tǒng)和分子級(jí)別的類似控制方法，研究如何對(duì)一組分子進(jìn)行編程以及執(zhí)行一系列的指令?？ㄋ梗耗侨绾伍_(kāi)始對(duì)這一新穎而奇特的研究領(lǐng)域產(chǎn)生興趣的？溫弗里：我對(duì)生物學(xué)和計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)系開(kāi)始感興趣是在1980年代初期，那時(shí)我正在上高中。我當(dāng)時(shí)在蘋(píng)果II型電腦上學(xué)習(xí)編程，同一時(shí)期我還閱讀了一些書(shū)籍，如理查德道金斯（RichardDawkins）的自私的基因，這些東西在我的大腦里逐漸融合起來(lái)，并就如何對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行編程讓我產(chǎn)生了濃厚的興趣

4、去做進(jìn)化所做的事情。我對(duì)與生物學(xué)有關(guān)的一切都很感興趣，特別是與神經(jīng)科學(xué)有關(guān)的。譬如大腦是如何工作的？同時(shí)我對(duì)各種算法也產(chǎn)生了興趣。在芝加哥大學(xué)我修習(xí)了數(shù)學(xué)和理論計(jì)算機(jī)科學(xué)，在加州理工學(xué)院讀研究生時(shí)，對(duì)機(jī)器人技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了興趣。后來(lái)我對(duì)南加州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)家倫納德阿德?tīng)柭↙eonardAdleman）關(guān)于DNA計(jì)算的研究進(jìn)行了陳述，這是對(duì)分子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間聯(lián)系的一種全新思路。這不僅僅是理論科學(xué)家的事，在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，你完全可以將分子算法的理論付諸實(shí)施，并在實(shí)驗(yàn)室中加以測(cè)試?？ㄋ梗涸谀募易逯校皇堑谝粋€(gè)獲得“麥克阿瑟獎(jiǎng)”的人，您的父親亞瑟溫弗里（ArthurWinfree）1984年以

5、將應(yīng)用數(shù)學(xué)應(yīng)用到生物學(xué)上的成就獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。他是如何影響您的？溫弗里：在我成長(zhǎng)的過(guò)程中，他不是一位獲獎(jiǎng)?wù)?，只是一位父親，也許是一位有些古怪的父親。他喜歡將各種東西展示給我們看，使我養(yǎng)成了一種從不輕信任何事情的習(xí)慣，因?yàn)楦赣H總是讓我們要有自己的看法，培育我們獨(dú)立思考的能力。我小時(shí)候遇到的許多父親的朋友，最終他們也都成為了“麥克阿瑟獎(jiǎng)”的獲得者，所以在我成長(zhǎng)的過(guò)程中，他們獨(dú)創(chuàng)性的思維方式在我看來(lái)是很正常的。卡斯：這些“麥克阿瑟獎(jiǎng)”獲得者一直在影響著你，是嗎？溫弗里：我與他們的交往有些是出于偶然，有的則不是。我曾在數(shù)學(xué)家斯蒂芬沃爾弗拉姆（StephenWolfram，開(kāi)發(fā)了很有影響力的數(shù)學(xué)軟件包）手下

6、工作了一年，在此之前，我是在和父親一起參加的一次麥克阿瑟會(huì)議上與他相遇的，這算不上是偶遇。而我的博士生導(dǎo)師約翰霍普菲爾德（JohnHopfield）則是我偶然遇到的“麥克阿瑟獎(jiǎng)”獲得者，我想這大概是因?yàn)槲姨貏e留意那些真正令我尊敬的人。我在普林斯頓大學(xué)也待過(guò)一段時(shí)間，在那里認(rèn)識(shí)了邁克爾埃洛維茲（MichaelElowitz），他教給了我一些關(guān)于顯微鏡的知識(shí)，埃洛維茲在2007年成為“麥克阿瑟獎(jiǎng)”獲得者。還有和我在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的博士后保羅羅斯蒙德（PaulRothemund），后來(lái)也獲得了這一獎(jiǎng)項(xiàng)。編程語(yǔ)言的基本元素卡斯：這種不拘一格的社會(huì)交往理念，在您領(lǐng)導(dǎo)下的加州理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室里是否也有所體現(xiàn)？溫

7、弗里：在我的實(shí)驗(yàn)室里，我一直鼓勵(lì)非常獨(dú)立的工作態(tài)度，部分原因是我的成功在很大程度上得益于我的導(dǎo)師給了我很多自由發(fā)揮的機(jī)會(huì)?；叵肫鸸畔ＥD哲學(xué)家們?cè)谝黄鹩懻搯?wèn)題時(shí)，他們每個(gè)人都暢所欲言自己的見(jiàn)解。所以，每當(dāng)有學(xué)生來(lái)到我的實(shí)驗(yàn)室后，我總要說(shuō)：“好吧，說(shuō)說(shuō)你的計(jì)劃，告訴我下周你準(zhǔn)備做些什么?！庇袝r(shí)候?qū)τ谒麄儊?lái)說(shuō)，這是一個(gè)痛苦的過(guò)程。他們要花的往往不是一個(gè)星期，而是一個(gè)月，甚至是一年或者兩年，才會(huì)真正搞清楚自己感興趣的到底是什么。雖然這個(gè)過(guò)程可能會(huì)有痛苦，但我覺(jué)得這比分配他們?nèi)プ瞿稠?xiàng)具體研究而他們自己卻不知道自己真正喜歡的是什么要好得多?？ㄋ梗赫嬲纳锵到y(tǒng)利用蛋白質(zhì)來(lái)處理大部分工作，但您實(shí)驗(yàn)室里的研究

8、對(duì)象則是DNA，這是為什么？溫弗里：蛋白質(zhì)要比DNA復(fù)雜得多，然而DNA更具可預(yù)測(cè)性，擁有極其龐大的功能范圍，有點(diǎn)像一個(gè)納米級(jí)的“壘高拼裝玩具”，比用蛋白質(zhì)更容易拼裝。在某種意義上來(lái)說(shuō)，我們所做的事情并非創(chuàng)新。生物學(xué)家有這樣一種假設(shè)，即曾經(jīng)存在著一個(gè)RNA（核糖核酸）的世界（RNA是DNA的一種單鏈近親，在生物細(xì)胞中，RNA在DNA與蛋白質(zhì)工廠之間起轉(zhuǎn)換作用）。縱觀地球生命史，很可能在蛋白質(zhì)進(jìn)化之前存在著這樣一個(gè)RNA的世界。當(dāng)時(shí)RNA既是一個(gè)信息存儲(chǔ)系統(tǒng)，又是一種活性元素，執(zhí)行著細(xì)胞內(nèi)的大部分功能。這告訴我們，利用核酸我們可以做許許多多事情，無(wú)論是RNA還是DNA?？ㄋ梗耗敲?，利用DNA編程

9、技術(shù)可以完成哪些任務(wù)？溫弗里：DNA編程擁有令人振奮的前景，從計(jì)算機(jī)模式中我們可以看到各種不同的分子系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)科學(xué)家看來(lái)，這些計(jì)算是一套最基本的運(yùn)算法，通過(guò)這些基本運(yùn)算法可產(chǎn)生獲得系統(tǒng)級(jí)的各種功能。譬如，數(shù)字電路設(shè)計(jì)者以簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)作為最基本的邏輯表達(dá)式，利用它們形成電路并執(zhí)行復(fù)雜的功能；而你的電腦也是利用這些指令來(lái)進(jìn)行操作的。但就計(jì)算機(jī)科學(xué)而言，卻可以有著許許多多不同的計(jì)算模式。我的主要研究興趣之一是尋找適合于分子系統(tǒng)的計(jì)算模型。在過(guò)去的4年中，我們進(jìn)行了一系列化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)：分子A加上分子B的分子反應(yīng)生成分子C，或X加上C形成A，等等。傳統(tǒng)上，化學(xué)反應(yīng)式已被用作解釋我們?cè)诖笞匀恢兴?jiàn)到

10、的東西的描述性語(yǔ)言；而我們則是將其作為一種編程語(yǔ)言的基本元素，一種我們想要獲得的某種行為方式的表達(dá)方式。當(dāng)你能夠?qū)⒎肿拥囊徊糠謴哪程幰频搅硪惶帟r(shí)，就像利用計(jì)算機(jī)算法語(yǔ)言來(lái)處理數(shù)據(jù)一樣。在分子世界里，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一種物理結(jié)構(gòu)（譬如在DNA分子里），如果想要從DNA中產(chǎn)生些什么，可被看作是修改一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。我們所面臨的挑戰(zhàn)就是，以這種編程語(yǔ)言去編寫(xiě)程序；而執(zhí)行程序卻要用到真正的分子，這已在一些實(shí)驗(yàn)中有所展示。我們非常有興趣想知道的是，在這方面我們究竟能走多遠(yuǎn)？我們還在考慮如何提取和控制分子，并如何將其折疊成某個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)。2006年，保羅羅斯蒙德（PaulRothemund）利用DNA編程技術(shù)

11、，構(gòu)建了在顯微鏡下可觀察到的“笑臉”，在這方面邁出了第一步；再有就是分子級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，所有這些都展示了以DNA系統(tǒng)構(gòu)建的基本形式。由200個(gè)DNA短鏈構(gòu)建的“笑臉”可編程的晶體生長(zhǎng)過(guò)程卡斯：從理論上來(lái)看，這聽(tīng)起來(lái)確實(shí)很有吸引力，但控制分子的現(xiàn)實(shí)意義是什么呢？溫弗里：化學(xué)與生物系統(tǒng)結(jié)合產(chǎn)生的智能療法將擁有令人興奮的前景，而這一理念是建立在計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上的。要達(dá)到這樣的目標(biāo)，我們需要區(qū)分傳感器、執(zhí)行器以及信息處理單元。在宏觀尺度上，我們對(duì)這樣的概念都很熟悉，即傳感器和執(zhí)行器都是針對(duì)物質(zhì)世界的，但信息處理單元卻是從物質(zhì)世界中分離出來(lái)的，完全只是一種抽象符號(hào)。譬如0和1，信息處理單元并不關(guān)心0和1的意

12、思是什么，只是對(duì)其機(jī)械地進(jìn)行處理。智能療法則需要許多傳感器和執(zhí)行器協(xié)作，需要與生物系統(tǒng)建立起多種有意義的接口，譬如檢測(cè)疾病和操縱分子，以達(dá)到治療的作用當(dāng)然實(shí)際做起來(lái)很困難。但我們的希望是，有一天我們能夠建立起一個(gè)與各種傳感器和執(zhí)行器連接起來(lái)的DNA處理單元，以作出各種決策。譬如藥物要以哪些細(xì)胞為靶子，或需要產(chǎn)生什么樣的化學(xué)物質(zhì)。目前來(lái)說(shuō)，這些還只是一種美妙的設(shè)想，包括我自己在生物醫(yī)學(xué)的研究方面也還有很長(zhǎng)的路要走。卡斯：利用生物分子計(jì)算技術(shù)“生長(zhǎng)”出設(shè)備或機(jī)器的前景如何？其可行性如何？溫弗里：這一設(shè)想同樣可以通過(guò)DNA編程來(lái)完成，其中的一部分工作需要用一些鏈接到DNA的可通過(guò)化學(xué)方法改變的物質(zhì)。

13、鏈接蛋白質(zhì)、碳納米管，或量子點(diǎn)（510納米的納米熒光顆粒）到DNA的特定位置是一整套的化學(xué)過(guò)程，這意味著，如果你可以利用DNA建立起一個(gè)腳手架，然后用化學(xué)方法進(jìn)行處理，你就能獲得一些有用的結(jié)果。譬如，與DNA連接起來(lái)的碳納米管可以成為某種導(dǎo)電電路；然而要構(gòu)建起這樣的DNA腳手架，你必須讓它與來(lái)自DNA片斷的“瓷磚”自行組裝起來(lái)，并讓“瓷磚”按照你的設(shè)計(jì)方案以某種規(guī)則結(jié)合在一起，這基本上就是一個(gè)可編程的晶體生長(zhǎng)過(guò)程。你可以放入一個(gè)包含有編制程序的晶體（放入DNA“瓷磚”或其他材料）中，這些晶體會(huì)根據(jù)程序要求構(gòu)建出你所需要的東西。這一研究之所以令人興奮，因?yàn)樗且环N純粹的非生物的生長(zhǎng)過(guò)程，但卻擁有

14、許多生物學(xué)的特征。我一直習(xí)慣于DNA為終級(jí)生物分子，很難想象可以用非生物的方式來(lái)駕馭它。但實(shí)際上，將生物構(gòu)成成分用于非生物目的的做法也是人類由來(lái)已久的一個(gè)傳統(tǒng)。譬如，現(xiàn)在我面前就有一個(gè)木制結(jié)構(gòu)書(shū)桌，但樹(shù)并不會(huì)自行長(zhǎng)成書(shū)桌、船只或者房屋等東西，雖然這些東西都是我們用樹(shù)木做成的。可以這么說(shuō)，用DNA編程來(lái)為我們的許多目的服務(wù)，是延續(xù)了人類孜孜不倦地技術(shù)開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)；而令我們感覺(jué)似乎有些奇怪的，是因?yàn)槲覀兣cDNA的所有聯(lián)系都是生物學(xué)上的意義的。遺傳分子DNA卡斯：當(dāng)您把DNA看作是一種技術(shù)形式，是否會(huì)從根本上改變您對(duì)人類或者對(duì)生命的看法？溫弗里：以這種方式來(lái)使用DNA，當(dāng)然有可能會(huì)對(duì)生命究竟是什么產(chǎn)生

15、某種不一樣的看法。這是一個(gè)令哲學(xué)家們經(jīng)常為之擔(dān)憂的話題，因?yàn)樗麄儗o(wú)法為生命找到一個(gè)令人滿意的定義；而生物學(xué)家通常沒(méi)有這么多的顧慮。如果你采取還原論者看問(wèn)題的方法，生命現(xiàn)象只是一種機(jī)制；而我們感興趣的一切都是由能夠做許多有趣事情的分子構(gòu)成的DNA是承載信息的分子，尤其還是可編程的。我們可以對(duì)DNA分子進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其起到像“與門(mén)”、“或門(mén)”、電機(jī)或催化劑那樣的作用，生命更像是以化學(xué)編程語(yǔ)言編制出來(lái)的軟件，一些最新的發(fā)現(xiàn)使得這一觀點(diǎn)更容易被人們所接受。必須得建立容錯(cuò)機(jī)制卡斯：將您的驚人想法轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的最大障礙是什么?溫弗里：我希望能夠讓分子按人類的想法運(yùn)作！對(duì)于純理論計(jì)算機(jī)科學(xué)畢業(yè)的人來(lái)說(shuō)，一開(kāi)始

16、就從事實(shí)驗(yàn)室工作是很困難的。做一個(gè)有資料可依但涉及許多化學(xué)反應(yīng)的DNA實(shí)驗(yàn)是一回事，然而建立一個(gè)雖只有3或多種化學(xué)反應(yīng)、但未完全達(dá)到預(yù)想結(jié)果的系統(tǒng)卻是另一回事。如何進(jìn)行DNA編程在理論上我們還有許多事情要做，但目前我們非常關(guān)注并投以大量研究時(shí)間的卻是如何執(zhí)行的問(wèn)題，我們的研究受到了諸多的限制。譬如，在我們?cè)O(shè)計(jì)“分子元件”時(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生各種各樣的干擾，以DNA為基礎(chǔ)的“元件”有可能會(huì)互相沖突，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)某些本不應(yīng)該出現(xiàn)的反應(yīng)?？ㄋ梗耗蛩闳绾谓鉀Q這些問(wèn)題？溫弗里：我們需要建立容錯(cuò)機(jī)制，至于如何出錯(cuò)我們目前還不清楚。為什么生物系統(tǒng)處于不斷地生長(zhǎng)和摧毀的過(guò)程中，揣測(cè)的理由之一就是，蛋白質(zhì)只有這么做

17、，才能永遠(yuǎn)擁有新鮮而不是陳舊的分子，這也是應(yīng)對(duì)干擾的一個(gè)潛在解決方案。另一個(gè)問(wèn)題是，如果有許多分子“元件”，它們的運(yùn)作可能會(huì)非常的緩慢?？ㄋ梗菏欠裼惺裁崔k法與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，以加快生物分子計(jì)算的運(yùn)行？溫弗里：我們不會(huì)與電子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，我們所做的是完全不同的事情?？梢韵胂螅獦?gòu)建出結(jié)構(gòu)像蒼蠅或昆蟲(chóng)生物體那樣復(fù)雜的新穎的工具或設(shè)備，難度會(huì)有多大？在我看來(lái)，要制造出這樣的東西，就需要讓它們能夠“生長(zhǎng)”，這是生物體的生長(zhǎng)方式，從生物生長(zhǎng)的時(shí)間表來(lái)看，通常需要數(shù)小時(shí)或數(shù)天，并需要讓它們?cè)谶m當(dāng)?shù)臅r(shí)間里生長(zhǎng)出結(jié)構(gòu)的不同部分?？ㄋ梗捍蟾胚€需要多久,可以將DNA編程設(shè)計(jì)的復(fù)雜系統(tǒng)和治療方法付諸實(shí)際應(yīng)用?

18、溫弗里：一年前我心里就有了一個(gè)計(jì)劃，當(dāng)時(shí)我瀏覽到一篇有相當(dāng)影響力的論文，是關(guān)于DNA計(jì)算和納米技術(shù)的。說(shuō)的是紐約大學(xué)的內(nèi)德西曼（NedSeeman）在1980年用大約32個(gè)核苷酸建立了一個(gè)系統(tǒng)（將分子連接在一起形成DNA片段），開(kāi)創(chuàng)了這一研究領(lǐng)域。從那時(shí)開(kāi)始，人們連接核苷酸分子的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，有一篇新的論文描述了一個(gè)大約有1.4萬(wàn)個(gè)核苷酸系統(tǒng)。DNA分子設(shè)計(jì)中的核苷酸數(shù)目大約每3年翻一番，經(jīng)過(guò)6次翻倍后大約需要20年時(shí)間將能夠達(dá)到100萬(wàn)個(gè)核苷酸，這相當(dāng)于一個(gè)細(xì)菌基因組所擁有的核苷酸數(shù)目。盡管這一數(shù)目構(gòu)成的系統(tǒng)并不一定能夠讓我們做成什么事，但它告訴我們，為了提高速度，我們需要掌握它的復(fù)雜性。我們需要像計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展那樣去掌握日趨復(fù)雜的系統(tǒng)，讓生物領(lǐng)域內(nèi)的這些系統(tǒng)運(yùn)作起來(lái)。這將是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，很可能需要在理念上有一個(gè)突破，這就是為什么我對(duì)這一領(lǐng)域情有獨(dú)鐘的原因。資料來(lái)源：Discover責(zé)任編輯：則鳴溫弗里名片阿米巴變形蟲(chóng)是一種最低等的生物，然而它們操縱分子的本領(lǐng)卻令任何一位人