科学家可快速合成新冠病毒

导读：瑞士病毒与免疫学研究所和伯尔尼大学等研究机构的研究人员建立了基于酿酒酵母的病毒人工合成系统，除了可在实验室人工合成小鼠肝炎病毒、中东呼吸综合征病毒等冠状病毒之外，也可在一周内合成具有感染能力的新冠病毒，便于开展疫苗研发和病毒突变检测等研究。

瑞士研究人员在实验室重构出新冠病毒。

尽管世界卫生组织、主流科学家一再强调，新冠病毒起源于自然界，但是一直存在一种阴谋论，认为新冠病毒（SARS-CoV-2）是人工合成的，而非自然起源的。当然，人工合成新冠病毒，对于科学家来说其实并不是难事。2020年5月4日，国际著名学术期刊《自然》（Nature）在线发表了一项最新研究，欧洲科学家成功在实验室合成了具有感染能力的新冠病毒，引发关注。

可在一周内合成新冠病毒

据英国《自然》杂志报道，瑞士病毒与免疫学研究所和伯尔尼大学等研究机构的研究人员建立了基于酿酒酵母的病毒人工合成系统，除了可在实验室人工合成小鼠肝炎病毒、中东呼吸综合征病毒等冠状病毒之外，也可在一周内合成具有感染能力的新冠病毒，便于开展疫苗研发和病毒突变检测等研究。

这一系统基本思路在于，根据已知的病毒基因组序列，人工合成若干个短的DNA片段（一般含有几百个碱基到几千个碱基），这些短的DNA片段两端含有可相互配对的接头序列，当将这些DNA短片段混合在一起时，它们可自行寻找配对的接头并连接成较长的基因组片段，甚至是全长基因组。而将这些体外人工合成的病毒DNA片段转入酿酒酵母内，酿酒酵母可将这些片段组装成完整的病毒基因组DNA，以利用酵母的DNA复制系统大量扩增原本极微量的病毒基因组DNA，用于疫苗研发等后续研究。如果是DNA病毒，上述方法获得的病毒基因组DNA可直接用于后续研究，如果是RNA病毒，还需要在体外将人工合成的病毒基因组DNA转录成RNA后再用于后续研究。

在此之前，有研究人员利用大肠杆菌等其他载体来扩增病毒基因组，但是由于冠状病毒属于RNA病毒，其基因组RNA大小约为3万个碱基，为RNA病毒中最大，很难在大肠杆菌等细菌内稳定扩增，因此瑞士科学家选择酿酒酵母作为大规模扩增病毒基因组的生物载体。

瑞士科学家利用这一思路，先在小鼠肝炎病毒上进行了尝试。小鼠肝炎病毒也属于冠状病毒，主要感染小鼠等啮齿动物的消化系统。研究人员在体外合成小鼠肝炎病毒基因组DNA片段之后，将其转入酿酒酵母内进行病毒基因组组装和扩增，获得病毒基因组DNA后再在体外转录成病毒RNA，所获的小鼠肝炎病毒RNA可在仓鼠细胞内进行扩增和繁殖，并感染新的仓鼠细胞。利用同样的方法，研究人员也成功地在体外人工合成了中东呼吸综合征冠状病毒，以及多种人类冠状病毒和其他病毒，包括寨卡病毒和人呼吸道合胞体病毒等，这些人工合成病毒均具有感染人体细胞的能力。

作为这项研究的重头戏，瑞士科学家将目光瞄准了最近在全球持续肆虐的新冠病毒。中国科学家在2020年1月10日公布新冠病毒基因组序列后不久，瑞士科学家就根据这些序列设计了十多条长度在约500个碱基到约3400个碱基的病毒DNA片段，其中大多数DNA片段均采用人工合成的方法合成，只有两条DNA片段是利用从德国患者身上分离的病毒RNA逆转录扩增获得的。这些DNA片段转入酿酒酵母内进行组装和扩增，获得与天然新冠病毒基因组序列完全一致的重组新冠病毒基因组DNA。接下来，研究人员在体外将病毒基因组DNA转录成病毒RNA。仓鼠细胞和猴子细胞感染试验表明，这样获得的病毒基因组RNA具有繁殖后代和感染新细胞的能力。

从病毒DNA片段合成到获得重组病毒RNA，可在一周内完成，也就是在病毒序列已知的情况下，研究人员可在一周内重建出病毒，这一时间还有望进一步缩短。研究人员还发现，用上述方法获得的新冠病毒可用于病毒分子生物学分析、突变监控、蛋白表达和药物评价（如瑞德西韦，Remdesivir）等研究。

其实，早在三个月前，瑞士科学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日将他们的研究论文提前公布在预印本论文网站bioRxiv上。该论文最近被《自然》杂志接受并正式发表。

体外重建病毒属于常规研究

当然，人工合成病毒和改造病毒并非新鲜事。为了研究方便，科学家经常需要人工合成病毒，进而对病毒进行改造。

无独有偶，美国得克萨斯大学的研究人员也在实验室通过反向遗传学的方法，人工合成了新冠病毒基因组RNA，并具备感染哺乳动物细胞的能力。与瑞士的上述研究相比，美国科学家采取的技术路线稍有不同，并没有用到酵母来扩增病毒基因组。根据美国已公布的新冠病毒基因组序列，得克萨斯大学的研究人员设计了7段短的DNA序列，这些短DNA序列两端同样含有可互相配对的接头序列，然后在体外直接拼接成完整的新冠病毒基因组DNA，再通过转录方式获得新冠病毒基因组RNA。随后，研究人员将重组新冠病毒基因组RNA转染到哺乳动物细胞内，观察到该病毒RNA能在细胞中进行复制，也具有感染新细胞的能力。该研究2020年4月13日在线发表在《细胞》（Cell）旗下的《细胞宿主与微生物》杂志上。

美国和瑞士的两项研究都证明，通过反向遗传学和合成生物学等技术手段，可在实验室轻松重构出新冠病毒。不过，相对而言，瑞士科学家采用酵母系统，更便于大规模扩增病毒基因组，可更快速地重构出重组病毒。

除了新冠病毒，最近十多年来，很多科学家都在尝试重构各种具有感染性的病毒。据美国《科学》（Science）杂志报道，2005年美国疾病预防控制中心领导的一个研究团队采用反向遗传学方法，重构了曾造成数千万人死亡的1918年甲型H1N1流感病毒。该重组病毒可感染哺乳动物细胞，也可在鸡胚中繁殖，并能感染小鼠致其死亡。美国疾病预防控制中心的研究人员希望通过1918年甲型H1N1流感病毒的重构，进一步研究该病毒尚未发现的特点、致病机理，并帮助科学家研发更有效的疫苗和抗病毒药物。

为了研究猿猴免疫缺陷病毒的起源，2007年美国阿拉巴马大学伯明翰分校的研究人员对猿猴粪便样品测序，获得猿猴免疫缺陷病毒的基因组片段，并在体外组装出具有感染能力的猿猴免疫缺陷病毒。2008年，美国范德堡大学研究人员人工合成出重组蝙蝠SARS类冠状病毒，具有感染人类细胞和小鼠的能力。2017年，美国克莱格·文特尔研究所的研究人员还利用酿酒酵母重构了一种1型单纯疱疹病毒。疱疹病毒是可终身感染人类的常见病毒，其中1型单纯疱疹病毒感染容易引发口唇疾病，严重时也可引发脑炎，其基因组长约15.2万个碱基。他们将该病毒的基因组DNA分拆为11个片段，然后一起转入酿酒酵母内，组装成完整的病毒基因组，首先人工合成了11个病毒基因组DNA，将病毒基因组DNA导入哺乳动物细胞，发现其具有复制和感染能力。

安全风险引发担忧

可见，科学家在体外重建感染性病毒并非仅仅满足好奇心，而是为更好地对付病毒而开辟的一条新研究途径。

在无法获得或不方便采集病毒样品时，科学家可以在体外人工合成病毒来开展一些与病毒相关的重要研究，如病毒特征分析、疫苗和药物研发等等。另外，病毒特别是RNA病毒的基因突变快，人工合成病毒可在短时间内模拟已发生的基因突变，甚至可以预测尚未发生的基因突变，从而提前开展疫苗和药物研发。

目前，中国、法国、美国等国家的科学家已经发现新冠病毒发生了一些重要的基因变异，细胞实验证明其中一些突变可显著增强新冠病毒的传染性。一旦发生致命的基因突变，可能导致目前正在研发的各种新冠病毒疫苗前功尽弃，因此采用瑞士科学家研发的病毒体外合成平台，有望及时监测和预测新冠病毒关键基因突变的出现，降低疫苗和药物研发的失败概率。

不过，对于大众来说，天然的病毒就足够令人害怕，科学家还要去人工合成致命病毒，对其中的安全担忧是可以理解的。2017年7月，著名的《科学》杂志曾经报道过加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学的病毒学家大卫·埃文斯利用邮件订购的病毒基因组DNA片段，并合成了天花病毒的近亲——马痘病毒。由于人们担心会有人按照这一路线人工合成出天花病毒等致命病毒，这项研究引发广泛关注和激烈争论。后来，美国著名病原学期刊《公共科学图书馆——病原体》(PLoS Pathogens)发表了多篇围绕埃文斯等人研究的辩论文章。主流看法是，病毒人工合成技术作为常规技术有其两用性，既可用于制造致命病毒，也可用于开展病毒研究为人类造福。正如核能一样，既可用来制造核武器，也可用于核能发电或提供核动力。

当然，无论是天然病毒还是人工合成病毒，政府部门都必须加强病毒研发的立法和监管，避免实验室的致命病毒发生泄漏。其实，人工合成的病毒安全性并不比天然病毒更高，只要研究人员严格按照法律法规、科研伦理和病毒操作规程行事，即可确保其安全，公众无须过度担忧。

南方周末特约撰稿 汤波