1、DNA：生物學的“建筑材料”生物學家埃里克溫弗里談DNA獨特的化學特性方陵生/編譯電子計算機的威力人所盡知，但涉及到與物理世界有關的復雜任務比如某種昆蟲的構成還得寄望于對DNA的深入研究。曾于2000年獲得“麥克阿瑟天才獎”的埃里克溫弗里（Erik Winfree），一直在潛心研究存儲遺傳生命信息的DNA；而人類的細胞正是利用這類遺傳分子的信息來構建蛋白質，形成了我們的身體結構并做著與生命存在相關的幾乎所有工作。目前，溫弗里正在利用DNA獨特的化學特性，旨在使其像計算機那樣來處理信息（被稱為DNA分子計算或DNA分子編程的新穎學科），甚至以DNA分子為“腳手架”構建起有用的結構。不久前，溫弗里
2、就其對生命起源的理解以及DNA的化學特性對未來可能產生的影響，接受了發現雜志資深編輯斯蒂芬卡斯（Stephen Cass）的采訪。埃里克溫弗里旨在對分子進行編程卡斯：您所從事的研究領域是生物分子計算，具體是些什么呢？溫弗里：對于不同的研究者來說，具體研究對象也有所不同。對于我來說，意味著去弄明白這樣的問題，即化學系統也可以進行信息處理，也可以通過設計去執行和完成多種任務。我的一個研究思路就是類推法：我們可以設計出執行各種信息處理任務的計算機，當這些計算機與電子機械控制系統連接在一起時，往往能夠發揮出特殊的作用。例如，你可以從一臺攝像機獲得輸入信息，你也可以將信息輸出到電動機上。生物分子計算的目
3、標是要開發出用于化學系統和分子級別的類似控制方法，研究如何對一組分子進行編程以及執行一系列的指令。卡斯：您是如何開始對這一新穎而奇特的研究領域產生興趣的？溫弗里：我對生物學和計算機之間的聯系開始感興趣是在1980年代初期，那時我正在上高中。我當時在蘋果II型電腦上學習編程，同一時期我還閱讀了一些書籍，如理查德道金斯（Richard Dawkins）的自私的基因，這些東西在我的大腦里逐漸融合起來，并就如何對生物系統進行編程讓我產生了濃厚的興趣去做進化所做的事情。我對與生物學有關的一切都很感興趣，特別是與神經科學有關的。譬如大腦是如何工作的？同時我對各種算法也產生了興趣。在芝加哥大學我修習了數學和
4、理論計算機科學，在加州理工學院讀研究生時，對機器人技術的神經網絡產生了興趣。后來我對南加州大學計算機科學家倫納德阿德爾曼（Leonard Adleman）關于DNA計算的研究進行了陳述，這是對分子系統和計算機之間聯系的一種全新思路。這不僅僅是理論科學家的事，在這個領域內，你完全可以將分子算法的理論付諸實施，并在實驗室中加以測試。卡斯：在您的家族中，您不是第一個獲得“麥克阿瑟獎”的人，您的父親亞瑟溫弗里（Arthur Winfree）1984年以將應用數學應用到生物學上的成就獲得該獎項。他是如何影響您的？ 溫弗里：在我成長的過程中，他不是一位獲獎者，只是一位父親，也許是一位有些古怪的父親。他喜歡
5、將各種東西展示給我們看，使我養成了一種從不輕信任何事情的習慣，因為父親總是讓我們要有自己的看法，培育我們獨立思考的能力。我小時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”的獲得者，所以在我成長的過程中，他們獨創性的思維方式在我看來是很正常的。卡斯：這些“麥克阿瑟獎”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。我曾在數學家斯蒂芬沃爾弗拉姆（Stephen Wolfram，開發了很有影響力的數學軟件包）手下工作了一年，在此之前，我是在和父親一起參加的一次麥克阿瑟會議上與他相遇的，這算不上是偶遇。而我的博士生導師約翰霍普菲爾德（John Hopfiel
6、d）則是我偶然遇到的“麥克阿瑟獎”獲得者，我想這大概是因為我特別留意那些真正令我尊敬的人。我在普林斯頓大學也待過一段時間，在那里認識了邁克爾埃洛維茲（Michael Elowitz），他教給了我一些關于顯微鏡的知識，埃洛維茲在2007年成為“麥克阿瑟獎”獲得者。還有和我在一個實驗室的博士后保羅羅斯蒙德（Paul Rothemund），后來也獲得了這一獎項。編程語言的基本元素卡斯：這種不拘一格的社會交往理念，在您領導下的加州理工學院實驗室里是否也有所體現？溫弗里：在我的實驗室里，我一直鼓勵非常獨立的工作態度，部分原因是我的成功在很大程度上得益于我的導師給了我很多自由發揮的機會。回想起古希臘哲學家
7、們在一起討論問題時，他們每個人都暢所欲言自己的見解。所以，每當有學生來到我的實驗室后，我總要說：“好吧，說說你的計劃，告訴我下周你準備做些什么。”有時候對于他們來說，這是一個痛苦的過程。他們要花的往往不是一個星期，而是一個月，甚至是一年或者兩年，才會真正搞清楚自己感興趣的到底是什么。雖然這個過程可能會有痛苦，但我覺得這比分配他們去做某項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。卡斯：真正的生物系統利用蛋白質來處理大部分工作，但您實驗室里的研究對象則是DNA，這是為什么？溫弗里：蛋白質要比DNA復雜得多，然而DNA更具可預測性，擁有極其龐大的功能范圍，有點像一個納米級的“壘高拼裝玩
8、具”，比用蛋白質更容易拼裝。在某種意義上來說，我們所做的事情并非創新。生物學家有這樣一種假設，即曾經存在著一個RNA（核糖核酸）的世界（RNA是DNA的一種單鏈近親，在生物細胞中，RNA在DNA與蛋白質工廠之間起轉換作用）。縱觀地球生命史，很可能在蛋白質進化之前存在著這樣一個RNA的世界。當時RNA既是一個信息存儲系統，又是一種活性元素，執行著細胞內的大部分功能。這告訴我們，利用核酸我們可以做許許多多事情，無論是RNA還是DNA。卡斯：那么，利用DNA編程技術可以完成哪些任務？溫弗里：DNA編程擁有令人振奮的前景，從計算機模式中我們可以看到各種不同的分子系統。在計算機科學家看來，這些計算是一套
9、最基本的運算法，通過這些基本運算法可產生獲得系統級的各種功能。譬如，數字電路設計者以簡單的邏輯門作為最基本的邏輯表達式，利用它們形成電路并執行復雜的功能；而你的電腦也是利用這些指令來進行操作的。但就計算機科學而言，卻可以有著許許多多不同的計算模式。我的主要研究興趣之一是尋找適合于分子系統的計算模型。在過去的4年中，我們進行了一系列化學反應的實驗：分子A加上分子B的分子反應生成分子C，或X加上C形成A，等等。傳統上，化學反應式已被用作解釋我們在大自然中所見到的東西的描述性語言；而我們則是將其作為一種編程語言的基本元素，一種我們想要獲得的某種行為方式的表達方式。當你能夠將分子的一部分從某處移到另一
10、處時，就像利用計算機算法語言來處理數據一樣。在分子世界里，數據結構實際上是一種物理結構（譬如在DNA分子里），如果想要從DNA中產生些什么，可被看作是修改一個數據結構。我們所面臨的挑戰就是，以這種編程語言去編寫程序；而執行程序卻要用到真正的分子，這已在一些實驗中有所展示。我們非常有興趣想知道的是，在這方面我們究竟能走多遠？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特殊的結構。2006年，保羅羅斯蒙德（Paul Rothemund）利用DNA編程技術，構建了在顯微鏡下可觀察到的“笑臉”，在這方面邁出了第一步；再有就是分子級的發動機，所有這些都展示了以DNA系統構建的基本形式。由200個
11、DNA短鏈構建的“笑臉” 可編程的晶體生長過程卡斯：從理論上來看，這聽起來確實很有吸引力，但控制分子的現實意義是什么呢？溫弗里：化學與生物系統結合產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算機科學基礎上的。要達到這樣的目標，我們需要區分傳感器、執行器以及信息處理單元。在宏觀尺度上，我們對這樣的概念都很熟悉，即傳感器和執行器都是針對物質世界的，但信息處理單元卻是從物質世界中分離出來的，完全只是一種抽象符號。譬如0和1，信息處理單元并不關心0和1的意思是什么，只是對其機械地進行處理。智能療法則需要許多傳感器和執行器協作，需要與生物系統建立起多種有意義的接口，譬如檢測疾病和操縱分子，以
12、達到治療的作用當然實際做起來很困難。但我們的希望是，有一天我們能夠建立起一個與各種傳感器和執行器連接起來的DNA處理單元，以作出各種決策。譬如藥物要以哪些細胞為靶子，或需要產生什么樣的化學物質。目前來說，這些還只是一種美妙的設想，包括我自己在生物醫學的研究方面也還有很長的路要走。卡斯：利用生物分子計算技術“生長”出設備或機器的前景如何？其可行性如何？溫弗里：這一設想同樣可以通過DNA編程來完成，其中的一部分工作需要用一些鏈接到DNA的可通過化學方法改變的物質。鏈接蛋白質、碳納米管，或量子點（510納米的納米熒光顆粒）到DNA的特定位置是一整套的化學過程，這意味著，如果你可以利用DNA建立起一個
13、腳手架，然后用化學方法進行處理，你就能獲得一些有用的結果。譬如，與DNA連接起來的碳納米管可以成為某種導電電路；然而要構建起這樣的DNA腳手架，你必須讓它與來自DNA片斷的“瓷磚”自行組裝起來，并讓“瓷磚”按照你的設計方案以某種規則結合在一起，這基本上就是一個可編程的晶體生長過程。你可以放入一個包含有編制程序的晶體（放入DNA“瓷磚”或其他材料）中，這些晶體會根據程序要求構建出你所需要的東西。這一研究之所以令人興奮，因為它是一種純粹的非生物的生長過程，但卻擁有許多生物學的特征。我一直習慣于DNA為終級生物分子，很難想象可以用非生物的方式來駕馭它。但實際上，將生物構成成分用于非生物目的的做法也是
14、人類由來已久的一個傳統。譬如，現在我面前就有一個木制結構書桌，但樹并不會自行長成書桌、船只或者房屋等東西，雖然這些東西都是我們用樹木做成的。可以這么說，用DNA編程來為我們的許多目的服務，是延續了人類孜孜不倦地技術開發的傳統；而令我們感覺似乎有些奇怪的，是因為我們與DNA的所有聯系都是生物學上的意義的。遺傳分子DNA卡斯：當您把DNA看作是一種技術形式，是否會從根本上改變您對人類或者對生命的看法？溫弗里：以這種方式來使用DNA，當然有可能會對生命究竟是什么產生某種不一樣的看法。這是一個令哲學家們經常為之擔憂的話題，因為他們將無法為生命找到一個令人滿意的定義；而生物學家通常沒有這么多的顧慮。如果
15、你采取還原論者看問題的方法，生命現象只是一種機制；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成的DNA是承載信息的分子，尤其還是可編程的。我們可以對DNA分子進行設計，使其起到像“與門”、“或門”、電機或催化劑那樣的作用，生命更像是以化學編程語言編制出來的軟件，一些最新的發現使得這一觀點更容易被人們所接受。必須得建立容錯機制卡斯：將您的驚人想法轉變為現實的最大障礙是什么?溫弗里：我希望能夠讓分子按人類的想法運作！對于純理論計算機科學畢業的人來說，一開始就從事實驗室工作是很困難的。做一個有資料可依但涉及許多化學反應的DNA實驗是一回事，然而建立一個雖只有3或多種化學反應、但未完全達到預想
16、結果的系統卻是另一回事。如何進行DNA編程在理論上我們還有許多事情要做，但目前我們非常關注并投以大量研究時間的卻是如何執行的問題，我們的研究受到了諸多的限制。譬如，在我們設計“分子元件”時有可能會產生各種各樣的干擾，以DNA為基礎的“元件”有可能會互相沖突，有時還會出現某些本不應該出現的反應。卡斯：您打算如何解決這些問題？ 溫弗里：我們需要建立容錯機制，至于如何出錯我們目前還不清楚。為什么生物系統處于不斷地生長和摧毀的過程中，揣測的理由之一就是，蛋白質只有這么做，才能永遠擁有新鮮而不是陳舊的分子，這也是應對干擾的一個潛在解決方案。另一個問題是，如果有許多分子“元件”，它們的運作可能會非常的緩慢
17、。卡斯：是否有什么辦法與計算機技術結合，以加快生物分子計算的運行？溫弗里：我們不會與電子計算機領域展開競爭，我們所做的是完全不同的事情。可以想象，要構建出結構像蒼蠅或昆蟲生物體那樣復雜的新穎的工具或設備，難度會有多大？在我看來，要制造出這樣的東西，就需要讓它們能夠“生長”，這是生物體的生長方式，從生物生長的時間表來看，通常需要數小時或數天，并需要讓它們在適當的時間里生長出結構的不同部分。卡斯：大概還需要多久,可以將DNA編程設計的復雜系統和治療方法付諸實際應用?溫弗里：一年前我心里就有了一個計劃，當時我瀏覽到一篇有相當影響力的論文，是關于DNA計算和納米技術的。說的是紐約大學的內德西曼（Ned
18、 Seeman）在1980年用大約32個核苷酸建立了一個系統（將分子連接在一起形成DNA片段），開創了這一研究領域。從那時開始，人們連接核苷酸分子的數量呈指數級增長，有一篇新的論文描述了一個大約有1.4萬個核苷酸系統。DNA分子設計中的核苷酸數目大約每3年翻一番，經過6次翻倍后大約需要20年時間將能夠達到100萬個核苷酸，這相當于一個細菌基因組所擁有的核苷酸數目。盡管這一數目構成的系統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雜性。我們需要像計算機科學的發展那樣去掌握日趨復雜的系統，讓生物領域內的這些系統運作起來。這將是一個極大的挑戰，很可能需要在理念上有一個
19、突破，這就是為什么我對這一領域情有獨鐘的原因。資料來源：Discover責任編輯：則 鳴溫弗里名片阿米巴變形蟲是一種最低等的生物，然而它們操縱分子的本領卻令任何一位人類工程師都贊嘆不已：在將惰性物質轉變成奇妙的生命形式方面,它們能夠以原子級的精度，迅速組裝起復雜的生物結構，淋漓盡致地展現了納米技術的威力。阿米巴變形蟲當然，還有你體內的細胞擅長于這類技能，是因為它們經歷了數十億年時間完善了其“分子工具包”。加州理工學院的計算機科學與生物工程學教授埃里克溫弗里（Erik Winfree)，決心駕馭這種進化演變中形成的機制，即通過細胞生物學的方法來創建一種新型的分子級的生物工程學。雖然這一設想還只處于萌芽狀態，但這方面的研究有可能會給一些領域帶來革命性的進展。譬如，通過類似制造復雜機械的方法而不是零部件制造的疾病療法，使其像生物一樣地“生長”起來。
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