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生命的缔造与延续——从基础科学到应用科学

时间:2021-08-25 02:19 点击次数:
  本文摘要:摘 要: 生命科学旨在探索和展现生命本质,运用多种生物技术造福人类。受限于早期生物科学和技术生长水平,人们难于一窥生命的起源、发育和遗传秘密的全貌。经由长达百年的知识累积和技术进步,工程学理念逐渐被引入现代生物学中,人们对于生命本质的明白日趋深入,并逐步具备革新甚至缔造生命的能力。 生物技术的生长和应用拓宽了工程科学的领土,工程科学的宽阔视野和方规则促进基础科学与生物技术的生长,二者相辅相成,逐渐在今世为造福人类提供了强有力的手段。

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摘 要: 生命科学旨在探索和展现生命本质,运用多种生物技术造福人类。受限于早期生物科学和技术生长水平,人们难于一窥生命的起源、发育和遗传秘密的全貌。经由长达百年的知识累积和技术进步,工程学理念逐渐被引入现代生物学中,人们对于生命本质的明白日趋深入,并逐步具备革新甚至缔造生命的能力。

生物技术的生长和应用拓宽了工程科学的领土,工程科学的宽阔视野和方规则促进基础科学与生物技术的生长,二者相辅相成,逐渐在今世为造福人类提供了强有力的手段。联合干细胞与再生医学领域的创新实践和最新研究希望,探讨了生命科学领域中基础研究、生物技术与工程科学联合路径的设计与生长前景。关键词: 生命科学;生物工程;干细胞与再生医学;工程科学引言生命本质如何、起源于那边、将生长至何方,这些极富哲学意蕴的科学命题,是生命科学领域恒久以来的未解难题。历经数十亿年的进化,地球从没有生命形态到泛起生命形态,从简朴生命到庞大生命,再到今天的人类。

人类自身所承载的信息量,迄今仍难以被完全破解。工程科学是将基础科学中的真理转化为人类福利的实际方法的技术。工程科学在上天、入地、下海等方面,已到达空前水平。

然而,人类对生命的相识仍然是九牛一毛。随着工程科学的引入,人类对于自身和对生命的认识与明白,从以往诸如对外形、身高、语言、举止等的形态形貌,生长到基因解读、遗传分析和分子识别。从基因组计划、新一代基因编辑技术、合成生物学到近期的生命缔造技术,这样的生长路径提升了人类认识、解读和革新生命的能力。

工程科学的生长让我们有可能越发靠近生命的本质。本文的目的是探讨如何将生命科学的基础研究与生物技术、工程科学相联合,从而加速人们对生命历程中遗传、发育、疾病、衰老以及进化等现象的深入探索与剖析,革新甚至缔造生命系统。

1. 工程科学理念引入生命科学,增强人类认知生命本质的能力《Science》创刊125周年时宣布了125个科学问题,其中,多达40%与生命科学相关。如:人类寿命到底可以延长多久,意识的生物学基础是什么,影象如何储存和恢复,大脑如何建设道德看法,人的道德感、羞耻感由何而来,为什么人类基因会如此之少,基因组中的“垃圾 (junk) ”有何作用,除了继续突变,基因组如何改变,等等。解答此类科学问题是基础科学的驱动力。而科学问题的解答离不开工程科学的理念和技术支持。

钱学森先生曾精炼地指出:“工程科学最重要的本质是将基础科学中的真理转化为人类福利的实际方法的技术”[1]。20世纪40年月,科学家开始意识到,生物体与机械在自动控制、通信和统计动力学等一系列问题上具有共性。而生命科学领域生长遭遇的瓶颈阻碍,也让生物学家开始从崭新的工程科学视角出发,试图通过工程科学技术的不停革新,解决领域中悬而未决的问题和疑惑,进一步探寻生命的本质,从而到达促进社会和情况的可连续生长、提高人类生活质量的目的。生命科学与工程科学的汇聚很是重要,以笔者的研究领域——干细胞与再生医学为例,干细胞与再生医学就是一个最直接的生命科学与工程科学的联合体。

生命的起始看似是一个简朴的历程:从受精开始形成胚胎、胎儿、胎儿出生发育为一个康健的个体。然而,生命的形成实际却很是庞大。

人的十月妊娠,从工程科学角度来讲,是最庞大的系统:从最开始一个受精卵细胞,历经多个发育阶段,最终结构成完整的个体——康健的人。随着人的生长发育、年事增长,体内细胞的数量和功效的增殖和衰减相互交替,即是生命体发育、衰老直至死亡的完整历程。生命生长历程中会发生大量细胞死亡,但我们依然活得很好,这是因为我们身体里的干细胞不停增殖,在更新着我们的机体。

干细胞,简朴说就是可以不停增殖、自我更新、具有多向分化潜能,能够分化形成多种细胞类型的细胞。干细胞种类多样,有具有高度发育潜能的胚胎干细胞,也有出生后支撑皮肤、毛发等多个器官生长的成体干细胞。那么,我们是否能够使用干细胞,来逆转发育和衰老的历程?已往这些年,基于干细胞,我们实验建设一些生命逆转的手段。

我们从体细胞缔造了一个原本不存在的生命——第一个泉源于诱导多醒目细胞即非胚胎泉源的生命[2];缔造了一种从来不存在的干细胞——单倍体干细胞,这类细胞甚至可以替代精子或卵子,最终发育成一个康健的生命体[3];我们用干细胞缔造出一个全新的生命[4],它所继续的父本和母本基因组划分来自于两个差别的干细胞,从某种水平上说,这是人造的生命;使用这些细胞,绕开哺乳动物的同性生殖障碍,我们实现了由两个雌性小鼠生成康健子女[5],也缔造出了来自两个雄性小鼠的子女[6](图1)。我们也缔造了一种在自然界不存在的细胞类型[7],这种细胞的基因来自于两个完全差别的物种:一半来自于小鼠,一半来自于大鼠。图1 Nature网站报道同性生殖小鼠结果 一方面,这些人造细胞为回覆进化和发育生物学的众多科学问题提供了全新的模型和工具;另一方面,这种种间杂合方式也为未来缔造能适应新的极端情况的新物种提供了可能。

上述这些结果说明,基础科学的目的是回覆那些以前所不知道的问题、做到以前做不到的事情。科学需要知识的不停累积、技术的不停突破去发现自然的秘密。

然而,干细胞与再生医学领域真正的科学价值在于服务人类。我们说,干细胞和再生医学是第三次医学革命。

革命在哪?我们实验将干细胞生长成为药物,挑战的是一个全新类型的药物,这是一个历史性、革命性的跨越。要跨这一步很难,因为细胞是活的,由细胞组成的药物是活的药物。活的药物怎么研发?除了要思量到药物研发中所有的问题,还要关注许多活细胞作为药物特。


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