2025年初，科学家们宣布他们通过三只基因编辑的狼崽让恐狼从灭绝中回归。媒体的兴奋可能掩盖了一些关键细节——特别是对现存灰狼基因组仅进行了特定恐狼基因编辑的修改——但它显示了先进基因技术复活曾被认为永久丢失的基因的可能性。
然而，与让灭绝物种回归相比，这项技术一个更直接且更可控的应用是分子复活，即对灭绝基因、蛋白质或代谢途径的选择性复活。这个新兴领域利用了两个主要的科学学科：古基因组学，即对古 DNA (aDNA) 的研究；以及古蛋白质组学，即对保存在化石和亚化石遗骸中的古代蛋白质的分析。
这些方法使得科学家能够从进化史中挖掘新型生物活性化合物，这些化合物可能彻底改变医学、生物技术和合成生物学。具体而言，分子复活可以通过提供非常规的抗菌分子来源来解决抗生素耐药性问题。
近期的技术进步已将分子复活从理论推测推向实验现实。下一代测序 (NGS) 和第三代长读长测序明显改善了片段化古 DNA 的回收，而高分辨率质谱和生物信息学蛋白质建模使得研究人员能够重建古代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，有利分子的识别已从主要依赖随机试错的过程，转变为更具针对性的数据驱动方法。研究人员可以基于海量数据分析来瞄准特定的分子特征，以预测其潜在功效。
分子复活技术的研究趋势
我们分析了 CAS 内容合集 (CAS Content CollectionTM)——最大的人工策展的科学信息库，以了解分子复活的现状和研究进展。研究发现，相关文献数量在过去十年中基本持续增长，期间仅有一项专利（见图 1）。
该分析揭示，2017年复活灭绝物种相关文献的高峰与黑斯廷斯生物伦理学中心出版特刊《重现荒野：复活灭绝物种、技术与保护伦理学》有关。我们还考察了文献中与复活灭绝物种相关的基本概念（见图 2）。
当前研究领域的主要发现包括：
- 古基因组学是探索最多的概念。虽然其他方法（例如，回交育种或克隆）对物种复活有所贡献，但古基因组学提供了精确物种复苏所必需的遗传路线图。通过回收、测序和分析来自灭绝物种的遗传物质，研究人员可以重建失传的基因组，识别关键的功能适应性，并通过基因组编辑工程化构建活体替代物。高通量测序、CRISPR-Cas9基因编辑技术以及合成生物学的进步协同发展，使得物质和物种的复苏成为一个切实的——尽管复杂——的科学事业。
- 在过去三年中，抗菌剂和抗生素是分子复活相关文献最多的主题（2025年数据仅统计至3月）。有三个关键交叉点值得注意：(1) 通过古基因组学发现古代抗菌肽，(2) 基于复活技术开发的CRISPR抗菌策略，以及 (3) 从复活的微生物群落中发现新型抗生素。
- 古病理学，即对古代疾病的研究，与物种复活技术共同出现。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到现代药物发现。通过分析古代病原体、人类免疫反应和灭绝的药用化合物，研究人员正在发现新的治疗策略以对抗抗生素耐药性、慢性疾病和新发感染。此外，将进化生物学与古病理学相结合，可以更好地理解影响灭绝物种癌症易感性的选择压力，并可能识别出潜在的肿瘤耐药机制。
- 关于尼安德特人的基因组规模数据已可用于来自十四个考古遗址的骨骼遗骸，这些遗址涵盖了尼安德特人历史在其已确定地理区域的大部分地区。
分子复活的方法论
如前所述，物种复活有两种途径：研究古 DNA 的古基因组学，以及研究古代蛋白质的古蛋白质组学。这两种方法在识别潜在抗菌治疗方法领域带来了重要突破。
古基因组学
由于古基因组学的进步，灭绝物种复活的构想已从科幻概念转变为切实的科学探索。这种方法已经在进化生物学方面提供了功能性的见解，例如揭示世巨型动物的冷适应机制、现代人类与尼安德特人之间的神经遗传差异，以及灭绝病原体的免疫系统进化。
古基因组学甚至帮助我们理解对当前病原体的反应机制。例如，一项对尼安德特人免疫基因的研究解释了我们为何易感于新兴传染病，如 COVID-19。位于 3 号染色体上的一个基因簇，被确定为感染 SARS-CoV-2 后呼吸衰竭的主要遗传风险因素，该基因簇源自尼安德特人遗传的基因组片段，约 50% 的南亚人群和 16% 的欧洲人群携带该基因簇。
古基因过程旨在通过重建灭绝物种的基因组并将其引入到密切相关的现存生物体中使其复活，例如前述的恐狼例子。第一个也是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、下一代测序和计算遗传组装。
与现代 DNA 不同，古 DNA 高度降解、发生化学修饰，并且常常被微生物和环境 DNA 污染。DNA 提取、测序技术和生物信息学方面的进展使得回收和分析古 DNA 成为可能，为物种复活计划铺平了道路。
复活像恐狼或猛犸象这样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仅仅是围绕物种复活计划中两个复杂议题。然而，复活远古肽类则远没有那么棘手，并且可以推动药物发现工作。通过古基因组学，研究人员识别了八个灭绝脊椎动物基因组，并已通过计算验证了它们是否含有防御素，防御素是富含二硫键的阳离子小肽，在宿主免疫中发挥重要作用。
研究共鉴定出六种天然 β-防御素，其中五种源自两种不同的灭绝鸟类，一种源自一种哺乳动物物种。尽管这些分子尚未通过实验验证，但对其进化与结构的分析正为抗生素发现开辟新的途径。
古蛋白质组学
通过古蛋白质组学进行的分子复活涉及从灭绝生物体中提取、测序、计算重建和功能复活蛋白质。这种方法论利用质谱、生物信息学和合成生物学的进步来恢复和研究古代生物分子。
例如，科学家们使用深度学习模型来发现新型抗生素肽。通过训练蛋白水解位点预测模型，研究人员成功预测了灭绝生物蛋白质组（即所谓“灭绝组”）中多种蛋白酶的广谱抗菌活性。大量在现存生物体中未发现的序列被预测具有广谱抗菌活性。其中，有 69 种肽被合成出来，并且它们对抗细菌病原体的活性已通过实验验证。一部分活性抗菌肽见表 1。
来自同一灭绝生物体的多对肽表现出针对病原体如鲍曼不动杆菌和铜绿假单胞菌的强烈协同相互作用，对于鲍曼不动杆菌，部分抑菌浓度 (FIC) 指数值低至 0.38。对于 Equusin-1 和 Equusin-3 的组合，最低抑菌浓度 (MICs) 降低了 64 倍（从 4 μmol L-1 降至 62.5 nmol L-1），达到了与大多数强效抗生素的 MIC 相当的亚微摩尔浓度。
值得注意的是，包括 Mammuthusin-2, Elephasin-2, Hydrodamin-1, Mylodonin-2, 和 Megalocerin-1 在内的顶级化合物，在患有皮肤脓肿或大腿感染的小鼠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更强的肽 (Elephasin-2 和 Mylodonin-2) 所获得的结果表明，其抗菌活性与广泛使用的抗生素多粘菌素 B 相当。类似地，当使用小鼠深部大腿感染模型时，Mylodonin-2 和 Elephasin-2 表现出与多粘菌素 B 相当的抗感染功效，从而强调了分子复活技术.作为抗生素发现成功方法的潜力。
最近的一项专利公开了使用多任务深度学习算法 APEX 从灭绝物种蛋白质组中识别抗菌肽的方法，以及所识别的 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，即用于全蛋白质组切割位点预测的 panCleave 随机森林模型，探索了一种泛蛋白酶切割位点分类器来执行计算蛋白质水解——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复活，并挖掘了我们最亲近亲属的蛋白质组，即古人类尼安德特人和丹尼索瓦人。通过该技术复活的若干加密肽类抗生素，在体外及临床前小鼠模型中均展现出抗菌活性。
抗生素领域的潜在突破
为探究现代糖肽类抗生素的祖先形态，研究人员运用生物信息学以及遗传和生化方法让远古的 “古霉素”重获新生。首先，预测了古霉素的非核糖体肽合成酶组装线，并构建了一个基于生物合成基因簇的指导树。随后，通过采用合成生物学技术，研究人员重建了预测的肽链并验证了其抗生素活性。
这项研究证明了合成生物学和计算技术的结合可以预测抗生素的时间演化，并有可能复活古代分子。它还展示了通过进化过程实现的自然优化策略，这些策略催生了现代糖肽抗生素，从而为未来改造这类重要抗菌剂的研究奠定了基础。
科学家们还在探索在尼安德特人抗菌肽 cathelicidins 中寻找新抗生素来源的可能性。这是一个与现代人类相似抗菌肽家族，在抵御感染方面发挥作用。研究人员开发了一种机器学习模型，可以挖掘来自尼安德特人和丹尼索瓦人的蛋白质组和基因组数据，实质上是从古人类基因组中筛选序列，并预测哪些序列可能成为有效的抗生素候选物。
分子复活技术的挑战与机遇
与复活灭绝动物并将其重新引入现代生态系统相比，分子复活技术可能带来的后续和伦理困境较少。然而，该技术仍存在某些风险，例如：
- DNA 降解和基因组数据不完整使得全基因重建困难。
- 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、毒性和免疫原性。
- 基因沉默、脱靶效应和水平基因转移，即工程基因可能在生态系统中不受控制地传播并产生意外影响。
- 关于应否将已灭绝分子商业化的生物伦理问题。
伦理框架以及科学界和监管界之间的合作对于指导诸多相关考量至关重要。在潜在的科学障碍方面，先进技术将继续发挥关键作用。人工智能能够模拟蛋白质的折叠与功能机制，从而无需完整DNA序列即可进行研究。神经网络可以预测降解古代 DNA 中缺失的片段，并提高重建准确性。CRISPR-Cas9 和碱基编辑有可能将古代基因“人源化”以确保其在医疗应用中的安全性。
分子复活技术代表了抗生素发现领域的范式转变，提供了一个独特的、尚未开发的抗菌潜力库。虽然在规模化生产和监管方面仍存在挑战，但早期的成功案例表明，地球已失去的生物多样性可能正是破解抗微生物药物耐药性危机的关键所在。
欲了解更多信息，请参阅我们在 ACS Omega 上发表的文章《分子古生物学遇见药物发现：复活灭绝物种抗菌剂的案例》
参考文献：
2：https://www.nature.com/articles/s41551-024-01201-x?utm_source=acs&getft_integrator=acs
