2025年初，科学家们宣布通过基因编辑培育出三只幼狼，成功让恐狼“复活”。媒体的兴奋可能掩盖了一些关键细节——即这并非完全复活，而是利用恐狼的特定基因编辑了现存灰狼的基因组——但这一成果展示了先进基因技术在复活被认为已永久消失的基因方面的巨大潜力。
然而，相比于复活已灭绝的物种，该技术更直接且更具可操作性的应用是分子“去灭绝”，即对已灭绝的基因、蛋白质或代谢途径进行选择性复活。这一新兴领域主要依托两大科学学科：古基因组学（研究古DNA）和古蛋白质组学（分析保存在化石及亚化石遗骸中的古蛋白质）。
这些方法使科学家能够从进化史中挖掘出具有革命性意义的生物活性化合物，从而推动医学、生物技术和合成生物学的发展。具体而言，分子“去灭绝”可以通过提供非常规的抗菌分子来源，解决抗生素耐药性问题。
近期的技术进步已将分子“去灭绝”从理论推向了实验现实。新一代测序（NGS）和第三代长读长测序技术极大地提高了古DNA片段的回收率，而高分辨率质谱分析和生物信息学蛋白质建模则使研究人员能够重建古蛋白质序列并预测其功能。
随着计算生物学和人工智能的进步，筛选理想分子的过程已从很大程度上的随机摸索转变为更具针对性的数据驱动方法。研究人员现在可以基于详尽的数据分析，锁定特定的分子特征，从而预测其潜在功效。
分子“去灭绝”的研究趋势
我们分析了全球最大的人工标引科学信息库——CAS Content CollectionTM，以了解分子“去灭绝”领域的现状与研究进展。研究发现，相关文献在过去十年中持续增加，期间还出现了一项专利（见图1）。
分析显示，2017年“去灭绝”相关文献达到峰值，这与黑斯廷斯生物伦理学中心（The Hastings Center for Bioethics）出版的特刊《重塑荒野：去灭绝、技术与保护伦理》有关。我们还考察了文献中与“去灭绝”相关的核心概念（见图2）。
当前研究格局的主要结论如下：
- 古基因组学是探索最深入的概念。虽然其他方法（如回交育种或克隆）也对“去灭绝”有所贡献，但古基因组学为精确的物种复活提供了必要的遗传蓝图。通过回收、测序和分析灭绝物种的遗传物质，研究人员能够重建丢失的基因组，识别关键的功能性适应特征，并通过基因编辑构建活体替代物。高通量测序、CRISPR-Cas9基因编辑和合成生物学的进步正汇聚在一起，使物质和物种的复活成为一项切实可行——尽管十分复杂——的科学事业。
- 抗菌剂和抗生素是过去三年中分子“去灭绝”相关文献研究最多的主题（2025年数据仅统计至3月）。其中三个关键交叉领域值得关注：（1）通过古基因组学发现古抗菌肽；（2）基于“去灭绝”工具开发的CRISPR抗菌策略；（3）从复活的微生物群落中发现新型抗生素。
- 古病理学是研究古代疾病的学科，与物种复活研究相伴而生。古病理学传统上侧重于通过骨骼和木乃伊遗骸了解过去人群的健康状况。然而，古基因组学、古蛋白质组学和生物信息学的最新进展已将其应用扩展至现代药物研发领域。通过分析古代病原体、人类免疫反应以及已灭绝的药用化合物，研究人员正在发掘用于对抗抗生素耐药性、慢性疾病和新兴传染病的创新治疗策略。此外，将进化生物学与古病理学相结合，有助于更好地理解影响癌症易感性的进化选择压力，并可能识别出潜在的肿瘤耐药机制。
- 来自十四个考古遗址的骨骼遗骸的尼安德特人 基因组规模数据现已公开，这些遗址涵盖了尼安德特人在其大部分已知地理分布范围内的历史进程。
分子复活方法论
如前所述，物种复活主要有两种途径：研究古DNA的古基因组学和研究古代蛋白质的古蛋白质组学。每种途径都在识别潜在抗菌疗法方面取得了重要突破。
古基因组学
得益于古基因组学的进步，物种复活的构想已从科幻小说转变为切实可行的科学追求。该方法已在进化生物学领域产生了实质性的见解，例如更新世巨型动物的耐寒机制、现代人类与尼安德特人之间的神经遗传差异，以及已灭绝病原体的免疫系统进化。
古基因组学甚至有助于我们理解自身对当前病原体的反应。例如，一项关于尼安德特人免疫基因的研究解释了我们对COVID-19等新兴传染病的易感性。3号染色体上的一个基因簇被确定为感染SARS-CoV-2后导致呼吸衰竭的主要遗传风险因素，该基因簇源自尼安德特人的基因组片段，据发现，南亚约50%的人口和欧洲16%的人口携带该片段。
古基因工程旨在通过重建已灭绝物种的基因组并将其引入亲缘关系相近的现存生物体内（如前述恐狼的例子）来复活其基因。首要且最关键的步骤是从保存的生物材料中获取高质量的古DNA，随后进行DNA分离、二代测序和计算遗传组装。
与现代DNA不同，古DNA高度降解、经过化学修饰，且常受到微生物和环境DNA的污染。在DNA提取、测序技术和生物信息学方面的进展，使得恢复和分析古DNA成为可能，为物种复活工作铺平了道路。
复活恐狼或猛犸象等完整的动物涉及许多实际和伦理挑战。动物福利和生态后果只是物种复活所涉及的复杂问题中的两项。然而，复活古代肽类物质的难度要小得多，且能推动药物研发。通过古基因组学，研究人员鉴定出八个已灭绝脊椎动物的基因组，并通过计算验证了其中的防御素。防御素是一类富含二硫键的小型阳离子肽，在宿主免疫中发挥重要作用。
最终鉴定出六种真实的β-防御素，其中五种来自两种不同的已灭绝鸟类，一种来自哺乳动物。尽管这些分子尚未经过实验验证，但对其进行的进化和结构分析正在开辟抗生素发现的新途径。
古蛋白质组学
通过古蛋白质组学进行的分子复活涉及从已灭绝生物中提取、测序、计算重建蛋白质，并使其功能复活。该方法利用质谱分析、生物信息学和合成生物学的进展来恢复和研究古代生物分子。
例如，科学家利用深度学习模型发现了新型抗生素肽。通过训练蛋白水解位点预测模型，研究人员能够推测已灭绝生物蛋白质组（即“灭绝组”）中大量蛋白酶的抗菌活性。研究预测，大量在现存生物中未发现的序列具有广谱抗菌活性。其中，69种肽被合成，其针对细菌病原体的活性已通过实验验证。表1展示了部分具有活性的抗菌肽。
| 肽 | 已灭绝生物 | 母体蛋白质 | 肽序列 | 最低抑菌浓度 (MIC) |
|---|---|---|---|---|
| Hydrodamin-1 3078251-51-8 |
大海牛 (Hydrodamalis gigas) | 内皮分化基因 1 | LYCRIYSLVRARG RRLTFRKNISK | 4 μmol L-1 (鲍曼不动杆菌、屎肠球菌) |
| Megalocerin-1 3078251-56-3 |
大角鹿 (Megaloceros gigantescus) | 细胞色素 c 氧化酶亚基 3 | LIVCFFRQLKFHF | 8 μmol L-1 (鲍曼不动杆菌、屎肠球菌) |
| Mylodonin-2 3078251-68-7 |
大地懒 (Mylodon darwinii) | 载脂蛋白 B | KRKRGLKLATALS LNNKF | 32 μmol L-1 (大肠杆菌) |
| Elephasin-2 3078251-59-6 |
直齿象 (Elephas antiquus) | ATP 合酶 F0 亚基 8 | IFLHLKILKIIRLL | 1 μmol L-1 (鲍曼不动杆菌、金黄色葡萄球菌、屎肠球菌) |
| 猛犸象素-2 3078251-49-4 |
西伯利亚长毛猛犸象 (Mammuthus primigenius) | 黑素皮质素受体-1 | RACLHARSIARLHK RWRPVHQGLGLK | 32 μmol L-1 (鲍曼不动杆菌、屎肠球菌) |
| 马素-1 3078251-35-8 |
格兰特斑马 (Equus quagga boehmi) | 天然抗性相关巨噬细胞蛋白 1 | FLKLRWSRFARVLL | 1 μmol L-1 (屎肠球菌) 4 μmol L-1 (鲍曼不动杆菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌) |
| 马素-2 3078251-48-3 |
格兰特斑马 (Equus quagga boehmi) | 小头畸形相关纺锤体蛋白 | KIYKKLSTPPFTL NIRTLPKVKFPK | 8 μmol L-1 (鲍曼不动杆菌) |
Several pairs of peptides from the same extinct organism exhibited strong synergistic interactions against pathogens such as A. baumannii and P. aeruginosa, with fractional inhibitory concentration (FIC) index values as low as 0.38 for A. baumannii. For the combination of Equusin-1 and Equusin-3, the minimum inhibitory concentrations (MICs) decreased by 64 times (from 4 μmol L-1 to 62.5 nmol L-1), reaching sub-micromolar concentrations that are comparable to the MICs of most potent antibiotics.
值得注意的是，包括猛犸象素-2、象素-2、水獭素-1、磨齿兽素-2 和大角鹿素-1 在内的顶级化合物在皮肤脓肿或大腿感染的小鼠模型中表现出潜在的抗感染活性。在皮肤脓肿感染模型中测试的活性肽（象素-2 和磨齿兽素-2）所得结果表明，其抗菌活性与广泛使用的抗生素多粘菌素 B 相当。同样，在使用小鼠深部大腿感染模型时，磨齿兽素-2 和象素-2 表现出与多粘菌素 B相当的抗感染功效，从而突显了分子“去灭绝”作为抗生素发现成功途径的潜力。
一项近期专利披露了利用多任务深度学习算法 APEX 从灭绝蛋白质组中鉴定抗菌肽的方法，以及已鉴定的 41 种抗菌肽及其协同作用和作用机制。
此外，所创建的机器学习工具——用于蛋白质组范围切割位点预测的 panCleave 随机森林模型，探索了一种全蛋白酶切割位点分类器，以执行计算蛋白水解，即对人类蛋白质进行计算机模拟消化。因此，机器学习方法被用于分子“去灭绝”，并挖掘了我们近亲——古人类尼安德特人和丹尼索瓦人的蛋白质组。几种加密的肽类抗生素被“复活”，并在体外和临床前小鼠模型中显示出抗菌活性。在体外和临床前小鼠模型中显示出抗菌活性。
抗生素领域的潜在突破
为了探究现代糖肽类抗生素祖先的样貌，研究人员利用生物信息学、遗传学和生物化学方法，使古老的“古霉素”（paleomycin）重现生机。首先，研究人员预测了古霉素的非核糖体肽合成酶组装线，并构建了基于生物合成基因簇的引导树。随后，通过合成生物学技术，研究人员重构了预测的肽段并验证了其抗菌活性。
这项研究证明，合成生物学与计算技术的结合不仅能确定抗生素的时间演化过程，还有潜力复活古老的分子。该研究还揭示了进化过程中自然形成的优化策略，正是这些策略造就了现代糖肽类抗生素，从而为未来改造这一重要抗菌药物类别奠定了基础。
科学家们也在探索从尼安德特人导管素中寻找新型抗生素的可能性。这是一类与现代人类抗菌肽相似的抗菌肽，在抵御感染方面发挥着作用。研究人员开发了一种机器学习模型，能够挖掘尼安德特人和丹尼索瓦人的蛋白质组学及基因组学数据，从而识别古人类序列，并预测哪些序列具备成为抗生素候选药物的潜力。
分子“复活”的挑战与机遇
与复活灭绝动物并将其重新引入现代生态系统相比，分子层面的“复活”所涉及的后勤与伦理困境可能较少。然而，它仍存在一定的风险，例如：
- DNA降解和基因组数据不完整，导致难以实现完整的基因重构。
- 复活分子的功能不确定性，包括蛋白质折叠错误、翻译后修饰、毒性及免疫原性等问题。
- 基因沉默、脱靶效应以及水平基因转移，即工程基因可能在生态系统中不受控制地传播，并产生意想不到的影响。
- 关于灭绝分子是否应商业化的生物伦理问题。
伦理框架以及科学界与监管机构之间的合作，对于指导上述诸多考量至关重要。在潜在的科学障碍方面，先进技术将继续发挥关键作用。人工智能可以模拟蛋白质的折叠与功能，从而无需完整的DNA序列。神经网络能够预测降解古DNA中的缺失片段，并提高重构的准确性。CRISPR-Cas9和碱基编辑技术则有望将古老基因“人类化”，以确保其医疗用途的安全性。
分子“复活”代表了抗生素发现领域的一次范式转移，为开发未被利用的抗菌潜力提供了一个独特的资源库。尽管在规模化和监管方面仍面临挑战，但早期的成功案例表明，地球上消失的生物多样性或许正是解决抗生素耐药性危机的关键。
欲了解更多信息，请参阅我们在《ACS Omega》上发表的文章：分子古生物学与药物发现：复活灭绝抗菌药物的案例。
参考文献：
2：https://www.nature.com/articles/s41551-024-01201-x?utm_source=acs&getft_integrator=acs
