2025 年初，科学家们宣布已通过三只经基因编辑的狼崽成功让恐狼从灭绝中复活。媒体对此事的热情报道或许掩盖了一些关键细节，特别是这些狼崽仅是在现存灰狼基因组中嵌入了部分恐狼基因编辑片段，但这场争议充分展示了先进基因技术复活已认定为永久消失的基因序列的巨大潜力。
然而相比复活灭绝物种，这项技术更直接可控的应用在于分子反灭绝，即选择性复活已灭绝的基因、蛋白质或代谢通路。这一新兴领域主要依托两大科学支柱：古基因组学（研究古代 DNA 的学科）与古蛋白质组学（分析化石及亚化石中保存的古代蛋白质的学科）。
这些研究方法使科学家能够从进化历史中挖掘出全新的生物活性化合物，有望为医学、生物技术和合成生物学带来革命性突破。具体而言，分子反灭绝技术有望通过提供非常规来源的抗菌分子，为解决抗生素耐药性问题开辟新途径。
近年来，技术突飞猛进的发展已推动分子反灭绝从理论构想迈入实验验证阶段。第二代测序 (NGS) 与第三代长读长测序技术显著提升了碎片化古代 DNA 的复原能力，而高分辨率质谱分析与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。
随着计算生物学与人工智能的进步，优势分子的识别已从随机筛选转向精准的数据驱动模式，研究人员如今能基于海量数据分析靶向特定分子特性，从而预测其潜在功效。
分子去灭绝的研究趋势
我们通过分析 CAS 内容合集TM 这个全球最大的人工标引科学信息数据库，来解读分子反灭绝领域的当前格局与研究进展。我们发现，相关文献数量在过去十年间持续增长，其间共产生一项专利（见图 1）。
分析表明，2017 年反灭绝相关文献数量达到峰值，这与黑斯廷斯生物伦理学中心发布特刊《重塑荒野：反灭绝技术及其保护伦理》 (Recreating the Wild: De‐Extinction, Technology, and the Ethics of Conservation) 直接相关。我们还对文献中涉及反灭绝的核心概念进行了梳理（参见图 2）。
当前研究布局的核心发现可归纳为：
- 古基因组学是研究最为深入的核心概念。尽管其他方法（如回交育种或克隆技术）对反灭绝有所贡献，但古基因组学为实现精准物种复活提供了不可或缺的遗传学路线图。通过对灭绝物种遗传物质进行提取、测序与分析，研究人员能够重建失落基因组，识别关键功能适应性，并通过基因编辑技术构建活体替代物种。高通量测序、CRISPR-Cas9 基因编辑与合成生物学的进步正相互融合，使物质再造与物种复活成为虽复杂却可实现的科学实践。
- 在过去三年中，抗菌剂与抗生素已成为分子反灭绝相关文献中最集中的研究主题（2025 年数据统计仅截至 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代抗菌肽，(2) 基于反灭绝工具开发的 CRISPR 抗菌策略，以及 (3) 从复活微生物群落中发现新型抗生素。
- 古病理学这门研究古代疾病的学科，正与反灭绝技术形成交叉融合。古病理学传统上侧重于通过骨骼与木乃伊遗骸来解读古代人群的健康状况。然而，古基因组学、古蛋白质组学和生物信息学的最新进展，已将其应用范围拓展至现代药物研发领域。通过分析古代病原体、人类免疫反应及已灭绝的药用化合物，研究人员正在探索全新的治疗策略，以应对抗生素耐药性、慢性疾病与新发感染的挑战。此外，将进化生物学与古病理学相结合，能够帮助我们更深入地理解影响已灭绝物种癌症易感性的选择压力，并有可能揭示其肿瘤抗性的潜在机制。
- 关于尼安德特人的基因组规模数据现已公开，这些数据提取自跨越尼安德特人历史长河的十四个考古遗址骨骼遗骸，覆盖其已知地理分布的大部分区域。
分子反灭绝技术方法论
如前所述，反灭绝研究存在两大路径：研究古代 DNA 的古基因组学，以及研究古蛋白质的古蛋白质组学。二者均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，反灭绝的构想已从科幻小说转变为切实可行的科学探索。这一研究方法已在进化生物学领域取得功能性突破，例如更新世巨型动物的耐寒适应机制、现代人类与尼安德特人的神经遗传差异，以及已灭绝病原体的免疫系统演化规律。
古基因组学甚至能帮助我们理解现代人类对现存病原体的免疫反应。例如，一项针对尼安德特人免疫基因的研究阐明了现代人类为何对 COVID-19 等新发传染病存在易感性。位于 3 号染色体上的一个基因簇，被确定为感染 SARS-CoV-2 后出现呼吸衰竭的主要遗传风险因素，源自尼安德特人遗传的基因组片段，目前发现约 50% 的南亚人和 16% 的欧洲人携带该基因片段。
古基因过程旨在通过重建已灭绝物种的基因组，并将其引入密切相关的现存生物体中，从而复活这些基因，例如前面提到的恐狼的例子。第一步也是最关键的一步是从保存的生物材料中获取高质量的aDNA，然后进行DNA分离、下一代测序和计算基因组装。
与现代 DNA 不同，aDNA 退化严重，经过化学修饰，并且经常受到微生物和环境 DNA 的污染。DNA 提取、测序技术和生物信息学的进步使得恢复和分析 aDNA 成为可能，为物种复活工作铺平了道路。
复活恐狼或猛犸象这类完整生物体，面临着诸多实践与伦理层面的挑战。动物福利与生态影响仅仅是物种反灭绝背后复杂议题的两个方面。然而，复活远古多肽的争议性要小得多，并能有效推动药物研发进程。通过古基因组学技术，研究人员成功识别了八种已灭绝脊椎动物的基因组，并通过计算验证了其中防御素的存在，这类富含二硫键的阳离子小肽在宿主免疫中扮演着关键角色。
通过这项研究，已有六种天然 β-防御素被成功鉴定，其中五种源自两种不同已灭绝鸟类，另一种来自某种哺乳动物。对这些分子进行的进化与结构分析，正为抗生素发现开辟新途径，尽管其尚未通过实验验证。
古蛋白质组学
基于古蛋白质组学的分子反灭绝技术，涵盖了对灭绝生物蛋白质的提取、测序、计算重构及功能复活全过程。该方法充分利用质谱分析、生物信息学与合成生物学领域的最新进展，以实现古代生物分子的回收与研究。
例如，科学家们已运用深度学习模型发现了新型抗菌肽。通过训练蛋白水解位点预测模型，研究人员得以从灭绝生物蛋白质组（即“灭绝组”）中筛选出具有广谱蛋白酶活性的抗菌物质。据预测，大量现存生物中未发现的序列表现出广谱抗菌活性。其中 69 种多肽已完成化学合成，其对抗细菌病原体的活性也通过了实验验证。表 1 展示了部分具有抗菌活性的多肽。
| 肽 | 已灭绝生物 | 母体蛋白 | 肽序列 | MIC |
|---|---|---|---|---|
| Hydrodamin-1 3078251-51-8 |
斯特拉海牛 (Hydrodamalis gigas) | 内皮分化基因1 | LYCRIYSLVRARG RRLTFRKNISK | 4 μmol L-1（A. baumannii、E. faecium） |
| Megalocerin-1 3078251-56-3 |
巨型驼鹿 (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 |
巨型树懒（Mylodon darwinii） | 载脂蛋白B | KRKRGLKLATALS LNNKF | 32 μmol L-1（大肠杆菌） |
| Elephasin-2 3078251-59-6 |
直牙象（Elephas antiquus） | ATP合酶F0亚基8 | IFLHLKILKIIRLL | 1 μmol L-1（针对鲍曼不动杆菌、金黄色葡萄球菌、屎肠球菌） |
| Mammuthusin-2 3078251-49-4 |
西伯利亚猛犸象 (Mammuthus primigenius) | 黑皮质素-1受体 | RACLHARSIARLHK RWRPVHQGLGLK | 32 μmol L-1（A. baumannii、E. faecium） |
| Equusin-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 (E.faecium) 4 μmol L-1（鲍曼氏杆菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌） |
| Equusin-2 3078251-48-3 |
格兰特斑马（Equus quagga boehmi） | 异常纺锤体样小头畸形相关蛋白 | KIYKKLSTPPFTL NIRTLPKVKFPK | 8 μmol L-1（鲍曼不动杆菌） |
来自同一灭绝生物的多组多肽展现出对抗病原体（如鲍曼不动杆菌和铜绿假单胞菌）的强协同作用，其中针对鲍曼不动杆菌的分数抑制浓度 (FIC) 指数最低可达 0.38。当 Equusin-1 与 Equusin-3 联用时，最低抑菌浓度 (MIC) 降低了 64 倍（从 4 μmol L-1 降至 62.5 nmol L-1），达到亚微摩尔水平，其效力可与最强效抗生素相媲美。
值得注意的是，包括猛犸象素-2、古象素-2、斯特拉海牛素-1、大地懒素-2 和巨鹿素-1 在内的顶级化合物，在治疗小鼠皮肤脓肿或腿部感染时均展现出潜在的抗感染活性。在皮肤脓肿感染模型中，活性更强的多肽（古象素-2 与大地懒素-2）所获结果显示，其抗菌活性与广泛应用的抗生素多粘菌素 B 相当。同样地，采用小鼠深层腿部感染模型时，大地懒素-2 和古象素-2 也展现出不逊于多粘菌素 B 的抗感染效力，这进一步印证了分子反灭绝技术作为抗生素发现路径的巨大潜力。
一项最新专利公开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，同时披露了 41 种已鉴定的抗菌肽及其协同作用与作用机制。
此外，所创建的机器学习工具，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，用以执行计算蛋白质水解技术（即对人体蛋白质进行计算机模拟消化）。因此，研究人员采用机器学习方法进行分子反灭绝研究，并从我们最近的亲属，古人类尼安德特人与丹尼索瓦人的蛋白质组中挖掘数据。数种加密肽类抗生素成功复活，并在体外实验及临床前小鼠模型中展现出抗菌活性。
抗生素领域的潜在突破
为探究现代糖肽类抗生素祖先的可能形态，研究人员运用生物信息学、遗传学及生物化学方法，成功让远古“始祖霉素” (paleomycin) 重见天日。首先，研究人员预测了始祖霉素的非核糖体肽合成酶组装线，并基于生物合成基因簇构建了系统发育指导树。随后，研究人员运用合成生物学技术重构了预测的多肽结构，并验证了其抗生素活性。
这项研究证实，合成生物学与计算技术的结合能够追溯抗生素的时间演化轨迹，并具备复活远古分子的潜力。该研究同时揭示了通过进化过程实现的天然优化策略，这些策略最终催生了现代糖肽类抗生素，从而为未来改造这类重要抗菌药物奠定了理论基础。
科学家们正在探索从尼安德特人导管素中发掘新型抗生素来源的可能性。这是一类与现代人类体内存在的抗菌肽家族相似的活性物质，在抵御感染过程中发挥着关键作用。研究人员开发出一种机器学习模型，能够挖掘尼安德特人与丹尼索瓦人的蛋白质组和基因组数据，从古人类序列中筛选并预测出具有潜力的抗生素候选物。
反灭绝技术面临的挑战与机遇
与复活灭绝动物并将其重新引入现代生态系统相比，分子反灭绝技术可能引发的实践难题和伦理争议相对较少。然而，它并非没有一定的风险，例如：
- DNA 降解和不完整的基因组数据使得完整的基因重建变得困难。
- 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、脱靶效应以及水平基因转移，经改造的基因可能在生态系统中不受控制地传播并引发意外后果。
- 关于是否应将灭绝分子商业化的生物伦理问题。
建立伦理框架并促进科学界与监管机构之间的协作，对于引导这些考量的决策至关重要。在应对潜在科学障碍方面，先进技术将持续发挥关键作用。人工智能能够模拟蛋白质的折叠与功能机制，从而规避对完整 DNA 序列的依赖。神经网络能够预测降解古 DNA 中的缺失片段，并提升重建精准度。CRISPR-Cas9 与碱基编辑技术有望对远古基因进行“人源化”改造，以保障其医疗应用的安全性。
分子反灭绝技术代表了抗生素发现范式的根本性转变，为我们开辟了一个独一无二、尚未开发的抗菌潜力宝库。尽管在规模化应用和监管层面仍存在挑战，但早期研究成果已证明：地球已逝的生物多样性或许正是解决抗菌素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》发表的论文：分子古生物学邂逅药物发现：论反灭绝抗菌剂的开发前景 (Molecular Paleontology Meets Drug Discovery: The Case for De-extinct Antimicrobials)。
参考文献：
2: https://www.nature.com/articles/s41551-024-01201-x?utm_source=acs&getft_integrator=acs
