基因时代的终结神话:人工病毒的预测

加拿大作家玛格丽特玛格丽特阿特伍德(Margaret Margaret Atwood)曾在两本书里描述了一个未来时代,当时人造病毒导致了人类的大规模灭绝:《羚羊与秧鸡》 (Oryx and Crake,2003)和《洪疫之年》(洪水年,2009)。

自COVID-19爆发以来,人们很容易想到关于病毒起源的各种争议。

不久前,在权威的学术期刊《自然-医学》上,来自美国和其他国家的科学家分析说,非典-CoV-2不是一个实验室结构,也不是一个故意操纵的病毒。

4月,在俄罗斯最新的防疫政策中,普京宣布全国将停止一切活动,直至4月30日,并声称要追查瘟疫(病毒)合成的真正凶手。

恐怕COVID-19的真相要到科学追踪和政治游戏吵了一段时间后才能揭晓。

对于普通人来说,在关注了人造病毒是否会引发人类灭绝的“最后一个神话”之后,我们也许能够打开我们的大脑。

人类末日的启示:基因时代的人工病毒

在上述作品中,作家玛格丽特阿特伍德的作品的结尾是这样诞生的:

一个名为“克拉克”的生物基因天才将病毒植入一个名为“喜福多”的药片中,该药片原本希望通过出售治疗性疫苗来获利。然而,世界各地的人类在短时间内迅速大规模死亡,只留下少数幸存者远离人群。

最后,地球仍然充满活力,动物和植物以自己强大的生命力存活下来。“克拉克”带领他的精英基因移植团队创造了一个全新的人类模型。

这无疑是一场人类灾难。除了灭霸“克拉克”的基因版本,没有人幸存。

今天,对于各种病毒实验室的研究人员来说,人工制造各种病毒并不困难,甚至成本可以非常低。

那么,人工病毒真的会像小说中预言的那样成为人类毁灭的导火索吗?

我们不妨回到人工病毒的起点去寻找答案。

早在19世纪,人们就开始用各种方法合成有机化合物,如尿素、核苷酸和氨基酸,而合成病毒的真正实现可以追溯到21世纪初,那时合成生物学出现了。

那时,各种病毒性疾病的恐怖和危害仍然威胁着全世界人类的生存。因此,许多病毒学家和免疫学家以及生物研究人员都对合成病毒感兴趣。

目前,合成病毒主要有三个价值:

首先是了解特定病毒的分子机制和治疗机制。

随着生物工程和基因组学技术的发展,一些不同种类的病毒已经在体外合成。

在了解病毒基因组和复制特征的基础上,通过体外人工操作构建感染性分子克隆,并在必要的系统下从头人工合成病毒,以满足病毒的正常复制和包装。这种病毒的反向遗传操作实现了病毒的“复活”,也称为病毒的拯救。

值得一提的是,2002年,纽约州立大学的研究人员合成了脊髓灰质炎病毒。在给两只小鼠注射合成病毒后,它们出现了类似于脊髓灰质炎的症状,并且很容易被合成病毒杀死。它开创了用无生命化合物完全体外合成传染性病毒的先河。

2008年,贝克尔等人设计并合成了重组蝙蝠样冠状病毒(Bat-ScoV)基因组,其中受体结合结构域(RBD)被流行的非典冠状病毒所取代,并成功感染培养的人呼吸道上皮细胞和小鼠。

研究人员还将猪流感病毒sw915(H1N2)的NA基因替换为2009年大流行的甲型H1N1流感病毒的NA基因,这显著提高了其通过呼吸道的微滴传播能力。它还能让人们更多地了解流感病毒。

发生于1918年的西班牙流感感染了全世界10亿人,但人们对此并不清楚。直到1933年第一种人类流感病毒被分离出来并命名为H1N1,人们才知道流感是由流感病毒引起的。

直到21世纪的第一年,研究人员才从一名患者的遗体中分离出病毒的所有核糖核酸片段,最后在2005年,他们合成并重新合成了来自1918年流感病毒八个基因片段的完整病毒颗粒。

可以说,只有在实验室里重复一种病毒,我们才能真正理解和征服它。

第二,对病毒进行生物工程改造,以提供新的医疗方法。

病毒合成的成功自然为生产灭活病毒疫苗和进行植物转基因工程提供了前提。

重要的是要知道,化学家和医学科学家一直希望创造一种微妙的结构,能够包裹和保护遗传物质,防止其进入患者体内,到达指定位置并释放遗传物质。这种病毒大小的载体并不容易。科学家们想了各种方法,最终发现病毒本身可能就是载体。

例如,自20世纪70年代以来,加州大学的科学家弗朗西斯索卡一直试图制造微型病毒,目的是将治疗药物输送到病变发生的地方。核糖核酸病毒的反向遗传操作也成为20世纪分子病毒学领域最激动人心的突破之一。

在一系列人类癌细胞上的实验结果表明,人工病毒在运输siRNA病毒和阻断靶基因表达方面非常有效,这被认为是治疗癌症的一个有希望的翅膀。

上述脊髓灰质炎病毒可用作疫苗来产生抗体并降低疾病发病率。

2011年,南加州大学的研究人员开发了一种病毒,可以用作载体来精确定位感染艾滋病毒的细胞,给艾滋病这种“超级癌症”的治疗带来无限的想象。

除了基因治疗,疫苗接种一直是控制流行性病毒感染和爆发的最有效措施。人工病毒(反向遗传技术)是疫苗开发和改进不可或缺的一部分。

世卫组织每年都筛选出流行于人群中的代表性流感病毒株,以生产流感疫苗。与筛选方法相比,反向遗传技术具有更短的可控性和生产周期。例如,研究表明,在MDCK和Vero细胞系中人工生产的流感疫苗的纯度和免疫力不低于从鸡胚中生产的疫苗。

同时,人工操作还可以转化HA、NA等影响病毒毒力的基因,从而降低疫苗生产者的安全风险和生产成本,使疫苗株更有效地产生中和抗体。

使用人工病毒结构作为基因治疗的载体和生产免疫疫苗增加了人类健康和福祉的可能性。

第三是与其他生物打交道,并传递社会和经济价值。

有些人可能会说人们面临的风险太高了。因此,通过提取或合成病毒的cDNA来合成RNA病毒,我们可以改变其他一些生物的特征,从而为人类社会服务。

例如,葡萄牙药物分子研究所的佩德罗西马斯博士将能与人类细胞结合的疱疹病毒蛋白质转化为只能与小鼠细胞结合的蛋白质,转化的疱疹病毒只“有利于”小鼠,但不会再次感染人类。

病毒复活了,它会打开潘多拉的盒子吗?

当然,必须承认,人造病毒从一开始就存在争议。

一方面,风险极高。如果人工病毒“跑出”实验室,它将导致不可预测的危机。

E.例如,大肠杆菌是一种理想的实验材料,同时,它生活在人类的消化道中。一旦人工改造的大肠杆菌从实验室泄漏并进入我们的肠道,它们可能会在大量繁殖中取代人体内的正常细菌,这可能真的会无意中启动“人类灭绝计划”。

人类已经消灭的天花病毒于2017年出现在加拿大阿尔伯特大学的实验室里。研究小组声称他们合成了一种与天花病毒同源的马痘病毒。尽管这种病毒被用作疫苗,但一旦泄漏,它会让天花“复活”吗?

有人会说生物实验室的安全防护水平很高,病毒不可能“逃逸”。

然而,值得注意的是,目前生物实验、基因编辑等技术的操作门槛不高。《科学》杂志也发表了一篇报道说脊髓灰质炎病毒的基因组数据在互联网上是公开的,并且病毒合成只是在实验室中使用一些常规技术。

这意味着相关的研究也可能被恐怖分子利用,并且有合成生物武器的可能性。

2016年,美国北卡罗来纳大学的病理学家维特梅涅雷特在老鼠身上发现了非典的“孪生兄弟”。将编码将非典病毒与人类细胞结合的蛋白质的基因添加到这种病毒的基因组中,产生了一种称为shc 014的重组病毒,这种病毒可以感染人体,而人类细胞对它完全没有免疫力。

一些科学家甚至认为,一定有人能够在实验室里制造出埃博拉病毒或天花病毒。

一方面,这两种病毒的基因组信息在互联网上是完全公开的,试剂公司经常对每一个请求作出回应。据英国杂志《新科学家》报道,一家美国试剂公司的产品销往全球20多个国家,包括几个中东国家,但该公司从不询问客户订购试剂的真正目的。

埃博拉病毒和天花病毒分别含有大约185,000和200,000个碱基对,它们仍然相同,而那些更简单的病毒脱氧核糖核酸没有阈值?

2017年,在加拿大阿尔伯塔省的一个实验室里,一组科学家拼接了通过邮件订购的DNA片段,创造出了一种已经灭绝的——马痘病毒的合成版本,价格不到10万美元。

这意味着即使实验室受到严格的保护,也没有办法阻止一些别有用心的人。

重建防线:人类手中的保护伞

面对合成病毒的趋势,人类有必要养活自己。

其中,最好的政策是建立透明和高风险的科研监管。

美国约翰霍普金斯大学健康与安全中心主任汤姆英格尔斯比曾经说过,(合成马痘病毒)在监管机构的审查中出现了问题。他认为,这种研究需要得到世界各地科学家的认可的规范,应该就科学审查、指导方针和监督这些研究的必要作用进行高级别对话。

国际安全研究中心的研究人员建议,对这种引起全球流行病的病毒的研究应被列为公众特别关注的热点,并且必须事先得到国际机构的批准才能进行。

然而,不确定性在于全球政治形势呈地缘政治趋势,以及在科学研究、技术、经济、数据等方面的相互监督措施。这将降低许多高风险研究中对话的可能性,从而使监管变得“落后于形势”。

例如,2012年,当美国和荷兰的两个实验室生产出H5N1“人工流感病毒”时,世界卫生组织在日内瓦召开了一次紧急会议,讨论是否应该公布H5N1流感病毒突变方法的研究结果。

中间策略是期望人类基因技术遵循客观规律,也就是说,发展不是那么糟糕。

尽管反向遗传操作为生物合成提供了更方便快捷的手段和工具,但根据目前对基因、病毒和其他技术的理解,病毒完全不可能随心所欲。

通常只有天然病毒可以进行基因改造,如H5N1、马痘病毒等。或者,通过基因编辑,天然病毒具有功能性获得性变异,即性能增强、传染性等。

但是在这样的前提下,很显然很难达到消灭人类的原始效果。

最好的政策自然取决于人类自身的免疫机制和社会管理能力。

无论是自然病毒还是合成病毒,如果要达到人类灭绝的目标,就必须符合《基本法》:

首先,没有死亡率为100%的病毒,因为这样病毒就不能在人群中广泛传播。只要社会管理机制足够有效,能够及时切断传播,病毒的危害就能被最大程度地消灭。

第二,毒性。随着代间传播能力的减弱,病毒也需要进化并通过突变增加新的毒力。每一次突变,你都需要让病毒重新开始。

因此,只要预防和控制得当,最好是着眼于未来的战争和核冬天,而不是担心人类被病毒灭绝。

在合成病毒的背后有一个非常重要的答案——。人类的欲望和创造力把我们推到了统治世界的位置。但是我们也许能够掌握合成病毒的法则,但是自然法则的力量总是属于一双看不见的手。

正如卡森所说,人类扩张的能力是“我们的不幸,也可能是我们的悲剧”。科学技术的进步注定了生物世界的“魔法之路战争”,这将在某个时刻拉开新的序幕。