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  • 分子生物學的新范例:細胞內的納米工程

    作者:比爾 威爾伯福斯

     

    想象一下,條形碼讀卡机代替黑白相間的解碼條紋能打印出任何复雜机器中各部件的清單。用它放在鬧鍾里,讀卡机的紙帶就開始旋轉:“2個鈴、18個齒輪、1個發條…”把它指向筆記本電腦,帶子會延長出几英里。

     

    這种棒极了的設備肯定會讓你朋友們羡慕不已,對制造商來說,也是一种用于對其競爭厂商產品進行逆向工程的便捷工具。但是,如果能夠讀出用其他方法無法探測到的部件(例如,連最有用的顯微鏡都無法識別出來某個机器的微小部件),這种讀卡机就更有用了。

     

    你可能已經猜到,這种奇特的條形碼讀卡机是過去五十年里分子生物學領域所經歷的改革的里程碑。隨着商業性工具箱(它所需要放在一起的工具比從零開始烤蛋糕所需的混合物還少)的出現,相對缺乏經驗的研究生都可以開始編制他或她所偏愛的生物有机体各元素的詳細目錄。而且隨着更有用的自動化工具的出現,能得到任何一個生物体各元素的完整清單。

     

    生物体系內發現的這些元素的本質是什么?首先,它們是一連串被稱為蛋白質的氨基酸(它的一個子集被稱為脢)。在地球上,能組合在一起生成每一种蛋白質的氨基酸有20种。氨基酸的排列順序決定形成什么樣的蛋白質。這就好比能夠組成世界上每個英語句子的二十六個英文字母,形成什么樣的句子僅僅靠字母的順序來決定。

     

    你也許感到奇怪,在最先進的顯微鏡下面都無法看到氨基酸序列的情況下,工具箱和自動化工具是如何探測到這些蛋白質的呢?其答案是通過讀取脫氧核糖核酸(DNA)的條形碼。脫氧核糖核酸或DNA是世界上每個生物有机体中每個細胞內所攜帶的元素的詳細目錄清單。在DNA的三個字母的“單詞”与20种氨基酸的每一种都有着直接的相互關聯性。比如,如果你在某個DNA(整整三千個DNA字母)中發現1000個這樣的單詞鏈,那么這個有机体就會有1000個氨基酸那麼長的蛋白質元素。而更為重要的是,那個蛋白質的准确的性質可以通過DNA字母的順序來獲得。

     

    雖然這些讀取脫氧核糖核酸工具的机制超出了我們這篇論文的考慮范圍,但是重要的一點在于,分子生物學的這些工具已經使我們理解生物体系的方式發生了革命性的變化。在這些工具存在之前,科學家們認為細胞相當簡單,僅僅是一團四周由一層薄薄的膜環繞的原生質(也即一种化學湯)。但是,在將這些新工具用于生命的不同形式時,科學家們已經意識到“隱藏的元素比他們起初所預料到的元素要多得多。”(詳情請看下面的后記)

     

    為了對某种這樣的元素的功效有一些認識,讓我們來看一种特殊的蛋白質---動力蛋白重鏈。這种中等大小的蛋白質,由一對相同的鏈組成(每种大約一千個氨基酸),通常与一种較小的被稱為動力蛋白輕鏈的蛋白質一起運作,這种動力蛋白輕鏈也是由一對相同的鏈組成。

     

    當蛋白質机器運作時,動力蛋白輕鏈和動力蛋白重鏈的對鏈,包含了傳統上被稱為動力蛋白的物質,是個相當簡單的系統。重鏈由兩部分組成。其分子的一半是被稱為三磷酸腺_(ATP)的分子燃料。這种燃料為一個重鏈相互結合并有另一种蛋白質(微管蛋白)釋放的過程提供燃料。如其名稱,微管蛋白能夠組成管-微管,准确地說,它形成每個細胞架的元素。最后,從這些微管中重鏈的結合并釋放允許動力蛋白系統從細胞的一端移動到細胞的另一端,每秒移動好几百步。

     

    這种高速移動的目的,在重鏈分子的另一半中被反映出來。這一部分是個長長的尾,兩個動力蛋白輕鏈以及各种類型的細胞內裝載物附着在尾上。實質上,通過在細胞內的移動,動力蛋白運載着成包的物質,如果是通過隨机混合,這些物質的移動會非常非常的慢。

     

    神經細胞給出一個特別顯著的例子,來說明動力蛋白運輸對細胞的正常運行是何等重要。我們最長的細胞---從后背朝下的部位一直延伸到腳趾頭---在坐骨神經中可以找到。能使這些神經細胞的兩端處于活躍狀態的物質大多直接來自于我們腳趾的血液。但是,某些物質必須直接來于我們的下背部細胞的始端。如果我們必須等待這些物質隨机向我們的趾端擴散,那么我們就要等好几年!相反,我們可以依賴動力蛋白活躍的運輸,來向我們神經細胞末端供應必要的成分。

     

    動力蛋白僅僅是每個有机体中協同工作的成千上万种蛋白質中的一种。隨着分子生物學革命性工具的進展,這些蛋白質机器的丰富多樣性最近才為大家所知道。每個個体蛋白質机器的丰富多樣性和复雜性強調一种生物學的新范例:細胞內部的工作方式具有高科技納米工程的特點。

     

    生物學家常常視高科技納米工程為自然本身,而隱含在其中的智能活動卻被迅速地擱置在一邊。但是,正如利哈伊大學生物學家米歇爾比希曾經關于這种狀況的發言:“如果看起來像鴨子,走起來像鴨子,并且叫起來也像鴨子,那么就很可能是鴨子”比希的“鴨子”推理是相當合理的。在其他任何領域,那些看起來像是被認真規划過的事物就被假定是被規划的。

     

    這种“鴨子”藥膏美中不足的是,能夠產生這些蛋白質机器的唯一的工程似乎只能是上帝,或者《每日秀》的喬恩斯圖爾特所說的具有相同技能的某個人。因此,生物學家(大多數)不是接受其新范例的內涵,而是忽視或公開譴責,不想讓他們的領域破坏教會和國家之間的分离,他們感到這一分离對碩果累累的科學進展至關重要。但是,在這一點上,要問的正确問題是:分子生物學革命性工具的進一步應用會為這些公開譴責進行辯護呢,還是繼續強調生物体系工程的复雜性呢?

     

    就我們目前所知,答案似乎是后者。盡管分子生物學的工具將會揭示某些自身工程机制(与自我組織相似,但是會產生复雜的机器而不是重复不規則碎片形模型),但是這种假設似乎不可能。就啟動器來說,趨勢是朝着越來越复雜的体系公開化方向走,而不在于顯示它們是如何產生的机制。發展在當前計算机推動的信息時代所引發的地址問題的信息生產法則在反對這類机制問題上舉足輕重。

     

    因此,分子生物學奇异革命的可能結果會是:日益意識到包括我們在內的生物最好被解釋為智能納米工程的客体。這种意識毫無疑問遵從了新觀念遵從的正常進程。首先,它受到忽視。然后,它會被嘲諷。再次,它會被勉強容忍。最后,它會被說成“好吧,我們一直都是這樣認為的!”

     

    后記:高等有机体中為基因的數量而給出的活動領域數据代表了這种低估元素數目趨向的一個有趣的例外。比如,在人類基因組工程之前,基于較簡單生物有机体的結果,認為我們有大約十万种基因 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SCIENCE96),現在被認為是大約二万(http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn6561), 大致相當于最簡單蠕虫的數目(http://genomebiology.com/2001/2/11/comment/2008)!

     

    在這個例子中,估計過高是由較簡單有机体的強力外推法所引起的,這一強力外推法是建立在認為較大的复雜性緣于較多的基因數量的幼稚假定上。基本上,這一錯誤告訴我們,從脫氧核糖核酸基因的讀取中獲得的元素清單僅僅是冰山一角。生物有机体的納米工程遠不止蛋白元素,還包括反饋信號和三維空間蛋白質排列的复雜网絡体系。

     

    簡介: 比爾 威爾伯福斯是一位年輕分子生物學家的筆名,其學術前景有可能會因參与此類基督教護教网站而受到阻礙。他曾在一些世界頂級學院受訓,開始在一些主要期刊上發表他自己的學術思想。令人遺憾的是,那些提出生物界中看上去是被設計的樣式實際上就是產生于一位工程師的思想的科學家并不總是擁有學術自由。然而,隨着對智能設計超自然的暗示的最初恐懼感的減弱,這种情況肯定會有所改善。同時,這個筆名提供了一個美好的机會來尊重一個鼓勵許多人為釋放被禁錮的人類思想而勇敢地反對現狀的青年。