當(dāng)iPod中的電池耗盡時(shí)，我正在割草。我的大腦沒有享受音樂的分心，而是轉(zhuǎn)向通常的書呆子模式來思考分子。在幾草叢中，我正在思考最大的“為什么不呢?”我的科學(xué)事業(yè)：我們能否通過隨機(jī)化學(xué)集群挑戰(zhàn)生物來發(fā)現(xiàn)新藥和有用的農(nóng)業(yè)化合物?

我的背景是分子生物學(xué) - 研究DNA，基因以及生物體的藍(lán)圖如何被解碼并組裝成生命。該學(xué)科需要了解分子代碼如何被破譯并轉(zhuǎn)化為功能生物學(xué)。這個(gè)領(lǐng)域的任何人都夢想著跳舞分子，互動(dòng)和履行將DNA信息轉(zhuǎn)化為食物，環(huán)境中的植物和家庭的角色。

每天在實(shí)驗(yàn)室中我們都會(huì)移動(dòng)基因。這很簡單。不打算為消費(fèi)者生成新產(chǎn)品，移動(dòng)DNA被用作研究工具，讓我們了解特定基因的工作原理。一個(gè)典型的例子是來自模式植物擬南芥的NPR1基因;它是一種防御基因，當(dāng)你將它放入幾乎任何植物的基因組中時(shí)，它可以增強(qiáng)對疾病的耐受性。操縱遺傳信息- 在植物，微生物和一些動(dòng)物中 - 是常見的。

在那半切割的草坪上，我想到了 - 如果我們將雜亂無章的隨機(jī)DNA代碼引入植物或細(xì)菌中，而不是插入我們理解的DNA信息呢?我們能否識別出可能產(chǎn)生改變生物體生理或發(fā)育的小蛋白質(zhì)(稱為肽)的遺傳信息的隨機(jī)位?

通常，DNA編碼指令，其協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)中氨基酸結(jié)構(gòu)單元的順序。每種氨基酸都具有特定的化學(xué)特性。它們在肽鏈中結(jié)合在一起，基于其氨基酸組分的互補(bǔ)化學(xué)，它們折疊成提供細(xì)胞結(jié)構(gòu)或功能的蛋白質(zhì)。

我的假設(shè)是，短暫的，亂碼的DNA信息可能會(huì)產(chǎn)生一系列新的氨基酸。這將是一小部分離散化學(xué)，可能在此之前從未存在過。在絕大多數(shù)情況下，它將毫無意義，只會(huì)變成細(xì)胞垃圾。但也許在極少數(shù)情況下它可以做一些新的和可取的事情。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我們的研究團(tuán)隊(duì)使用隨機(jī)模板，使用簡單的DNA擴(kuò)增技術(shù)合成了數(shù)萬億個(gè)隨機(jī)DNA片段。每個(gè)都側(cè)翼有遺傳指令，以開始和停止在植物內(nèi)產(chǎn)生肽。

然后我們使用標(biāo)準(zhǔn)的基因工程技術(shù)將一種新的DNA序列插入成千上萬個(gè)擬南芥植物中 - 然后坐下來觀察當(dāng)植物將隨機(jī)遺傳信息轉(zhuǎn)化為小的隨機(jī)肽時(shí)會(huì)發(fā)生什么。我們希望特定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可能與生物化學(xué)有關(guān)，我們會(huì)在植物本身看到結(jié)果。

隨著植物的生長，我們被觀察到的東西震驚了。

有些植物開花得很早。其他人小而且發(fā)育不良。其他人長得更大。有些人裝有健康的紫色色素。還有一些人長大到一定程度......然后就死了。

然后我們檢索了我們添加到每個(gè)序列中的特定隨機(jī)DNA序列，這是分子生物學(xué)家的一個(gè)簡單的壯舉，并將相同的序列插入到新植物中。大多數(shù)情況下，隨機(jī)信息以完全相同的方式影響新一代植物，證明確實(shí)發(fā)生了與添加的亂碼信息有關(guān)的事情。我們最近在植物生理學(xué)期刊上發(fā)表了我們的研究結(jié)果。

在細(xì)胞內(nèi)做這些隨機(jī)信息是什么?插入的DNA指令產(chǎn)生的小的隨機(jī)分子可能只是偶然地影響特定的過程。它們可以結(jié)合所需的營養(yǎng)素。它們可能會(huì)抑制一種關(guān)鍵酶。它們可以開啟開花或保護(hù)植物免于凍結(jié)。沒有人真正知道如何逐一詳細(xì)檢查植物。這些新蛋白質(zhì)也可能是設(shè)計(jì)具有相似化學(xué)性質(zhì)的新有用分子的良好模型，但在細(xì)胞中更耐用。我們的目標(biāo)是生產(chǎn)一種可以應(yīng)用于作物的化合物，以改變植物生長和行為的方式，或者可能阻止侵入性或雜草植物的生長。

這個(gè)過程就像把猴子扳手扔進(jìn)一臺復(fù)雜的機(jī)器里一樣。大多數(shù)時(shí)候他們四處奔波并且什么都不影響;但是很長一段時(shí)間，扳手會(huì)抓住一些關(guān)鍵的齒輪，讓機(jī)器停下來。其他時(shí)候，扳手可能會(huì)使浪費(fèi)的過程短路，從而使機(jī)器更有效地運(yùn)行。這些肽是分子猴子扳手。

這些肽中的一些必須干擾重要的生物過程，因?yàn)樗鼈儠?huì)殺死植物。這些研究結(jié)果揭示了植物中新的脆弱性，研究人員可利用這些脆弱性來開發(fā)環(huán)境友好和無毒的除草劑。農(nóng)業(yè)目前依賴于一些相對陳舊的化學(xué)物質(zhì)，種植(使用化石燃料)或人工來控制與食用植物競爭資源的雜草。良好的雜草控制意味著有價(jià)值的肥料，水和陽光只能到達(dá)所需的植物，而不是雜草。因此，當(dāng)農(nóng)民為不斷增長的種群生產(chǎn)食物時(shí)，新的除草劑化學(xué)品將非常有價(jià)值。

但為什么要停在植物?我們正在使用相同的方法來發(fā)現(xiàn)下一代抗生素。目標(biāo)是識別影響單一物種有問題細(xì)菌的隨機(jī)信息。例如，我們可能會(huì)靶向金黃色葡萄球菌，這是一種導(dǎo)致MRSA的抗生素抗性細(xì)菌。我們正在尋找可以破壞與MRSA相關(guān)的細(xì)菌的新分子，同時(shí)使其余的微生物組不受影響。這些實(shí)驗(yàn)正在我們的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

隨機(jī)性可以確定植物，細(xì)菌和其他生物中未發(fā)現(xiàn)的脆弱性或機(jī)會(huì)。甚至可能有解決人類疾病的應(yīng)用。當(dāng)我們挖掘大量新分子并研究它們?nèi)绾闻c生物學(xué)整合以產(chǎn)生重要的預(yù)期結(jié)果時(shí)，未來是令人興奮的。

我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的幾種分子減緩了植物的生長。該技術(shù)的未來產(chǎn)品甚至可能被用于使草坪生長更慢。雖然其他人可能會(huì)發(fā)現(xiàn)此預(yù)付款有用，但我必須跳過使用它。割草讓我的好主意流淌。