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進(jìn)化設(shè)計(jì)：21世紀(jì)的生物科技工程學(xué)是您的演講題目。這里面的含義是什么？

我認(rèn)為生物學(xué)是一個(gè)尋找解決21世紀(jì)重要問(wèn)題方法的好方向。要做到這一點(diǎn)，我們必須設(shè)計(jì)生物系統(tǒng)，也就是對(duì)他們的DNA編碼進(jìn)行重組。這是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情，但目前已經(jīng)有一些引人注目的新技術(shù)出現(xiàn)了。

重組是什么意思？

重組意味著改變控制生物體行為的DNA的功能。通過(guò)改變DNA，從而產(chǎn)生新的功能，例如，可以產(chǎn)生一種可再生燃料或一種化學(xué)物質(zhì)。自然生物已經(jīng)進(jìn)化到可以生存和繁殖，但不能解決人類制造可再生燃料或藥物的問(wèn)題。所以如果我們想要通過(guò)重組生物來(lái)做到，我們就必須重寫DNA代碼來(lái)告訴他們?cè)趺醋?。這很難做到，我們才剛剛開始學(xué)習(xí)。

您為什么認(rèn)為生物工程學(xué)是解決人類問(wèn)題的正確答案？

我的觀點(diǎn)是，進(jìn)化是一種很好的生物學(xué)設(shè)計(jì)的算法。是它導(dǎo)致了當(dāng)前存在的生物系統(tǒng)的多樣性和高功能性。它也是一種可以用來(lái)重新設(shè)計(jì)生物體，從而解決人類問(wèn)題的算法，例如治療疾病或持續(xù)地制造燃料和化學(xué)品。生物學(xué)非常聰明，許多解決重要問(wèn)題的方法都可以通過(guò)生物學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)找到。

要做到這一點(diǎn)，我們必須學(xué)會(huì)如何“培育”分子，就像我們一直在培育生物體、貓、狗、賽馬、信鴿或玉米一樣。如果我們能在分子水平上培育，就會(huì)產(chǎn)生一系列新的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀儽仨氉龀鑫覀冞^(guò)去不需要做的選擇。

哪些選擇呢？

如何進(jìn)行突變，如何重新組合DNA，了解我們希望改進(jìn)的分子的性質(zhì)，確定我們應(yīng)該使用的優(yōu)化算法。這是一個(gè)化學(xué)優(yōu)化問(wèn)題。

這個(gè)領(lǐng)域的研究還有多遠(yuǎn)？

我們才剛剛開始。對(duì)于我們所研究的大多數(shù)問(wèn)題，我們知道蛋白質(zhì)或酶會(huì)發(fā)生什么。所以我們列有一個(gè)我們想要改變的參數(shù)或?qū)傩缘牧斜怼５?，我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能具體地、精確地設(shè)計(jì)出符合這些參數(shù)的序列。因此，我們利用進(jìn)化來(lái)輔助：通過(guò)隨機(jī)變異DNA并觀察其影響，我們可以探索出真正重要的東西。

我不認(rèn)為我們很快就能理性地設(shè)計(jì)出酶，因?yàn)槲覀冊(cè)谶@些進(jìn)化實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)方案非常復(fù)雜。他們很難反向設(shè)計(jì)——識(shí)別改進(jìn)的機(jī)理——即使這些序列的變化很小。很難理解這些變化是如何產(chǎn)生新特性的。所以這對(duì)理性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)不是很好。但是沒(méi)關(guān)系!這沒(méi)關(guān)系，是因?yàn)檫M(jìn)化是有效的。我們有一個(gè)很好的機(jī)制來(lái)解決生物學(xué)應(yīng)用的問(wèn)題，就是通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)化系統(tǒng)來(lái)獲得新的有效的特性。

那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)是什么樣的呢？

預(yù)先設(shè)定好參數(shù)。如果你想要一種更穩(wěn)定的酶，或者你想要一種在新環(huán)境下工作的酶，又或者在新的基質(zhì)上進(jìn)行反應(yīng)，這些就是你為進(jìn)化優(yōu)化設(shè)定的參數(shù)。

你事先不知道哪種特定的氨基酸替換會(huì)產(chǎn)生這種情況。因此隨機(jī)地制造突變，然后通過(guò)篩選找到那些有效的突變。我們通常用微生物制造突變酶，并簡(jiǎn)單地在96孔板上進(jìn)行篩選，通過(guò)迭代誘變和篩選積累有益的突變。

當(dāng)你對(duì)改進(jìn)酶的基因編碼排序時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有益的突變發(fā)生在哪里。催化是非常敏感的：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)或順序的微小變化就會(huì)導(dǎo)致催化性質(zhì)的可測(cè)量變化，有時(shí)這些變化發(fā)生在化學(xué)發(fā)生的活性位點(diǎn)30 Å之外。很難將效果歸因于結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)、氫鍵或靜電作用的特定變化。但是定向進(jìn)化可以發(fā)現(xiàn)這些變化。

您來(lái)自化學(xué)工程方向，是什么吸引您來(lái)這個(gè)課題呢？

我轉(zhuǎn)向生物和酶設(shè)計(jì)，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)酶很吸引人。不像其他的化學(xué)，材料學(xué)，電子學(xué)的設(shè)計(jì)，我們有進(jìn)化。我們很幸運(yùn)。酶非常復(fù)雜，但是我們有一個(gè)很好的算法可以對(duì)它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。

那么您認(rèn)為我們用生物學(xué)主要能夠解決什么樣的問(wèn)題呢？

其中最大的一個(gè)問(wèn)題是如何利用可再生資源：如何以植物材料的形式利用陽(yáng)光和二氧化碳從而取代化石燃料？這就是我研究的方向。但是，還有許多生物技術(shù)的應(yīng)用可以通過(guò)進(jìn)化方法來(lái)改進(jìn)，比如尋找新的藥物或工業(yè)催化劑。

怎么能確保您創(chuàng)造出的東西不會(huì)失控呢？

我說(shuō)的是制造蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)不是活的，它們不會(huì)失控。當(dāng)然，有些人對(duì)合成生物學(xué)很擔(dān)心。我只能說(shuō)，我非常努力地確保這項(xiàng)技術(shù)被用于好的方面。

如果我們想要保持我們習(xí)慣的生活水平，甚至與我們習(xí)慣的生活保持密切聯(lián)系，我們就必須更明智地使用資源。生物學(xué)是智慧地利用資源的專家。

您對(duì)未來(lái)有什么看法？

對(duì)生物化學(xué)和生物化學(xué)工程而言，有一個(gè)令人興奮的前沿領(lǐng)域，就是創(chuàng)造出一種蛋白質(zhì)，將天然氨基酸和生物所使用的分子團(tuán)的字母表擴(kuò)展到20種以上。如果你利用化學(xué)知識(shí)，比如有機(jī)催化或無(wú)機(jī)化學(xué)，你可以擴(kuò)展生物中的化學(xué)成分?，F(xiàn)在想想那些無(wú)法通過(guò)自然生物獲得的化學(xué)機(jī)理。許多新的化學(xué)成分會(huì)破壞蛋白質(zhì)的完整性和功能，但是進(jìn)化可以恢復(fù)這些功能，并探索這些新功能所能發(fā)揮的作用。

這些想法是我們?cè)诓痪玫膶?lái)就會(huì)看到的。在這個(gè)新的領(lǐng)域里，還有很多創(chuàng)造和想象的空間。