科學(xué)家可快速合成新冠病毒

南方周末特約撰稿 湯波

瑞士研究人員在實(shí)驗(yàn)室重構(gòu)出新冠病毒。

★通過(guò)反向遺傳學(xué)和基于釀酒酵母的病毒人工合成系統(tǒng)，瑞士科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里重構(gòu)出新冠病毒，這為病毒的分子生物學(xué)分析、突變監(jiān)控、蛋白表達(dá)和藥物研究提供了方便，這項(xiàng)工作早在三個(gè)月前即已完成。

盡管世界衛(wèi)生組織、主流科學(xué)家一再?gòu)?qiáng)調(diào)，新冠病毒起源于自然界，但是一直存在一種陰謀論，認(rèn)為新冠病毒（SARS-CoV-2）是人工合成的，而非自然起源的。當(dāng)然，人工合成新冠病毒，對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)其實(shí)并不是難事。2020年5月4日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Na-ture）在線發(fā)表了一項(xiàng)最新研究，歐洲科學(xué)家成功在實(shí)驗(yàn)室合成了具有感染能力的新冠病毒，引發(fā)關(guān)注。

可在一周內(nèi)合成新冠病毒

據(jù)英國(guó)《自然》雜志報(bào)道，瑞士病毒與免疫學(xué)研究所和伯爾尼大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)的研究人員建立了基于釀酒酵母的病毒人工合成系統(tǒng)，除了可在實(shí)驗(yàn)室人工合成小鼠肝炎病毒、中東呼吸綜合征病毒等冠狀病毒之外，也可在一周內(nèi)合成具有感染能力的新冠病毒，便于開展疫苗研發(fā)和病毒突變檢測(cè)等研究。

這一系統(tǒng)基本思路在于，根據(jù)已知的病毒基因組序列，人工合成若干個(gè)短的DNA片段（一般含有幾百個(gè)堿基到幾千個(gè)堿基），這些短的DNA片段兩端含有可相互配對(duì)的接頭序列，當(dāng)將這些DNA短片段混合在一起時(shí)，它們可自行尋找配對(duì)的接頭并連接成較長(zhǎng)的基因組片段，甚至是全長(zhǎng)基因組。而將這些體外人工合成的病毒DNA片段轉(zhuǎn)入釀酒酵母內(nèi)，釀酒酵母可將這些片段組裝成完整的病毒基因組DNA，以利用酵母的DNA復(fù)制系統(tǒng)大量擴(kuò)增原本極微量的病毒基因組DNA，用于疫苗研發(fā)等后續(xù)研究。如果是DNA病毒，上述方法獲得的病毒基因組DNA可直接用于后續(xù)研究，如果是RNA病毒，還需要在體外將人工合成的病毒基因組DNA轉(zhuǎn)錄成RNA后再用于后續(xù)研究。

在此之前，有研究人員利用大腸桿菌等其他載體來(lái)擴(kuò)增病毒基因組，但是由于冠狀病毒屬于RNA病毒，其基因組RNA大小約為3萬(wàn)個(gè)堿基，為RNA病毒中最大，很難在大腸桿菌等細(xì)菌內(nèi)穩(wěn)定擴(kuò)增，因此瑞士科學(xué)家選擇釀酒酵母作為大規(guī)模擴(kuò)增病毒基因組的生物載體。

瑞士科學(xué)家利用這一思路，先在小鼠肝炎病毒上進(jìn)行了嘗試。小鼠肝炎病毒也屬于冠狀病毒，主要感染小鼠等嚙齒動(dòng)物的消化系統(tǒng)。研究人員在體外合成小鼠肝炎病毒基因組DNA片段之后，將其轉(zhuǎn)入釀酒酵母內(nèi)進(jìn)行病毒基因組組裝和擴(kuò)增，獲得病毒基因組DNA后再在體外轉(zhuǎn)錄成病毒RNA，所獲的小鼠肝炎病毒RNA可在倉(cāng)鼠細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)增和繁殖，并感染新的倉(cāng)鼠細(xì)胞。利用同樣的方法，研究人員也成功地在體外人工合成了中東呼吸綜合征冠狀病毒，以及多種人類冠狀病毒和其他病毒，包括寨卡病毒和人呼吸道合胞體病毒等，這些人工合成病毒均具有感染人體細(xì)胞的能力。

作為這項(xiàng)研究的重頭戲，瑞士科學(xué)家將目光瞄準(zhǔn)了最近在全球持續(xù)肆虐的新冠病毒。中國(guó)科學(xué)家在2020年1月10日公布新冠病毒基因組序列后不久，瑞士科學(xué)家就根據(jù)這些序列設(shè)計(jì)了十多條長(zhǎng)度在約500個(gè)堿基到約3400個(gè)堿基的病毒DNA片段，其中大多數(shù)DNA片段均采用人工合成的方法合成，只有兩條DNA片段是利用從德國(guó)患者身上分離的病毒RNA逆轉(zhuǎn)錄擴(kuò)增獲得的。這些DNA片段轉(zhuǎn)入釀酒酵母內(nèi)進(jìn)行組裝和擴(kuò)增，獲得與天然新冠病毒基因組序列完全一致的重組新冠病毒基因組DNA。接下來(lái)，研究人員在體外將病毒基因組DNA轉(zhuǎn)錄成病毒RNA。倉(cāng)鼠細(xì)胞和猴子細(xì)胞感染試驗(yàn)表明，這樣獲得的病毒基因組RNA具有繁殖后代和感染新細(xì)胞的能力。

從病毒DNA片段合成到獲得重組病毒RNA，可在一周內(nèi)完成，也就是在病毒序列已知的情況下，研究人員可在一周內(nèi)重建出病毒，這一時(shí)間還有望進(jìn)一步縮短。研究人員還發(fā)現(xiàn)，用上述方法獲得的新冠病毒可用于病毒分子生物學(xué)分析、突變監(jiān)控、蛋白表達(dá)和藥物評(píng)價(jià)（如瑞德西韋，Remdesivir）等研究。

其實(shí)，早在三個(gè)月前，瑞士科學(xué)家就已完成了新冠病毒等病毒的人工合成工作，并于2020年2月21日將他們的研究論文提前公布在預(yù)印本論文網(wǎng)站bioRxiv上。該論文最近被《自然》雜志接受并正式發(fā)表。

體外重建病毒屬于常規(guī)研究

當(dāng)然，人工合成病毒和改造病毒并非新鮮事。為了研究方便，科學(xué)家經(jīng)常需要人工合成病毒，進(jìn)而對(duì)病毒進(jìn)行改造。

無(wú)獨(dú)有偶，美國(guó)得克薩斯大學(xué)的研究人員也在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)反向遺傳學(xué)的方法，人工合成了新冠病毒基因組RNA，并具備感染哺乳動(dòng)物細(xì)胞的能力。與瑞士的上述研究相比，美國(guó)科學(xué)家采取的技術(shù)路線稍有不同，并沒(méi)有用到酵母來(lái)擴(kuò)增病毒基因組。根據(jù)美國(guó)已公布的新冠病毒基因組序列，得克薩斯大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了7段短的DNA序列，這些短DNA序列兩端同樣含有可互相配對(duì)的接頭序列，然后在體外直接拼接成完整的新冠病毒基因組DNA，再通過(guò)轉(zhuǎn)錄方式獲得新冠病毒基因組RNA。隨后，研究人員將重組新冠病毒基因組RNA轉(zhuǎn)染到哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，觀察到該病毒RNA能在細(xì)胞中進(jìn)行復(fù)制，也具有感染新細(xì)胞的能力。該研究2020年4月13日在線發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）旗下的《細(xì)胞宿主與微生物》雜志上。

美國(guó)和瑞士的兩項(xiàng)研究都證明，通過(guò)反向遺傳學(xué)和合成生物學(xué)等技術(shù)手段，可在實(shí)驗(yàn)室輕松重構(gòu)出新冠病毒。不過(guò)，相對(duì)而言，瑞士科學(xué)家采用酵母系統(tǒng)，更便于大規(guī)模擴(kuò)增病毒基因組，可更快速地重構(gòu)出重組病毒。

除了新冠病毒，最近十多年來(lái)，很多科學(xué)家都在嘗試重構(gòu)各種具有感染性的病毒。據(jù)美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志報(bào)道，2005年美國(guó)疾病預(yù)防控制中心領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)采用反向遺傳學(xué)方法，重構(gòu)了曾造成數(shù)千萬(wàn)人死亡的1918年甲型H1N1流感病毒。該重組病毒可感染哺乳動(dòng)物細(xì)胞，也可在雞胚中繁殖，并能感染小鼠致其死亡。美國(guó)疾病預(yù)防控制中心的研究人員希望通過(guò)1918年甲型H1N1流感病毒的重構(gòu)，進(jìn)一步研究該病毒尚未發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)、致病機(jī)理，并幫助科學(xué)家研發(fā)更有效的疫苗和抗病毒藥物。

為了研究猿猴免疫缺陷病毒的起源，2007年美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校的研究人員對(duì)猿猴糞便樣品測(cè)序，獲得猿猴免疫缺陷病毒的基因組片段，并在體外組裝出具有感染能力的猿猴免疫缺陷病毒。2008年，美國(guó)范德堡大學(xué)研究人員人工合成出重組蝙蝠SARS類冠狀病毒，具有感染人類細(xì)胞和小鼠的能力。2017年，美國(guó)克萊格·文特爾研究所的研究人員還利用釀酒酵母重構(gòu)了一種1型單純皰疹病毒。皰疹病毒是可終身感染人類的常見病毒，其中1型單純皰疹病毒感染容易引發(fā)口唇疾病，嚴(yán)重時(shí)也可引發(fā)腦炎，其基因組長(zhǎng)約15.2萬(wàn)個(gè)堿基。他們將該病毒的基因組DNA分拆為11個(gè)片段，然后一起轉(zhuǎn)入釀酒酵母內(nèi)，組裝成完整的病毒基因組，首先人工合成了11個(gè)病毒基因組DNA，將病毒基因組DNA導(dǎo)入哺乳動(dòng)物細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)其具有復(fù)制和感染能力。

安全風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)擔(dān)憂

可見，科學(xué)家在體外重建感染性病毒并非僅僅滿足好奇心，而是為更好地對(duì)付病毒而開辟的一條新研究途徑。

在無(wú)法獲得或不方便采集病毒樣品時(shí)，科學(xué)家可以在體外人工合成病毒來(lái)開展一些與病毒相關(guān)的重要研究，如病毒特征分析、疫苗和藥物研發(fā)等等。另外，病毒特別是RNA病毒的基因突變快，人工合成病毒可在短時(shí)間內(nèi)模擬已發(fā)生的基因突變，甚至可以預(yù)測(cè)尚未發(fā)生的基因突變，從而提前開展疫苗和藥物研發(fā)。

目前，中國(guó)、法國(guó)、美國(guó)等國(guó)家的科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)新冠病毒發(fā)生了一些重要的基因變異，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明其中一些突變可顯著增強(qiáng)新冠病毒的傳染性。一旦發(fā)生致命的基因突變，可能導(dǎo)致目前正在研發(fā)的各種新冠病毒疫苗前功盡棄，因此采用瑞士科學(xué)家研發(fā)的病毒體外合成平臺(tái)，有望及時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)新冠病毒關(guān)鍵基因突變的出現(xiàn)，降低疫苗和藥物研發(fā)的失敗概率。

不過(guò)，對(duì)于大眾來(lái)說(shuō)，天然的病毒就足夠令人害怕，科學(xué)家還要去人工合成致命病毒，對(duì)其中的安全擔(dān)憂是可以理解的。2017年7月，著名的《科學(xué)》雜志曾經(jīng)報(bào)道過(guò)加拿大埃德蒙頓阿爾伯塔大學(xué)的病毒學(xué)家大衛(wèi)·埃文斯利用郵件訂購(gòu)的病毒基因組DNA片段，并合成了天花病毒的近親——馬痘病毒。由于人們擔(dān)心會(huì)有人按照這一路線人工合成出天花病毒等致命病毒，這項(xiàng)研究引發(fā)廣泛關(guān)注和激烈爭(zhēng)論。后來(lái)，美國(guó)著名病原學(xué)期刊《公共科學(xué)圖書館——病原體》(PLoS Pathogens)發(fā)表了多篇圍繞埃文斯等人研究的辯論文章。主流看法是，病毒人工合成技術(shù)作為常規(guī)技術(shù)有其兩用性，既可用于制造致命病毒，也可用于開展病毒研究為人類造福。正如核能一樣，既可用來(lái)制造核武器，也可用于核能發(fā)電或提供核動(dòng)力。

當(dāng)然，無(wú)論是天然病毒還是人工合成病毒，政府部門都必須加強(qiáng)病毒研發(fā)的立法和監(jiān)管，避免實(shí)驗(yàn)室的致命病毒發(fā)生泄漏。其實(shí)，人工合成的病毒安全性并不比天然病毒更高，只要研究人員嚴(yán)格按照法律法規(guī)、科研倫理和病毒操作規(guī)程行事，即可確保其安全，公眾無(wú)須過(guò)度擔(dān)憂。