合成生物学：持续升温 “造物”尚早

来源：中国科学报   发布者：亦云   日期：2015-10-14  

日前，中国中医科学院中药研究所首席研究员屠呦呦凭借发现青蒿素获得本年度诺贝尔生理学或医学奖。因为青蒿素这种抗疟疾特效药的出现，全球数以百万计的生命得以拯救，而这还要归功于另一个幕后英雄：一种方兴未艾的技术——合成生物学。 青蒿素是从青蒿中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物。可惜的是，野生青蒿的青蒿素含量普遍过低，导致青蒿素提取产量低，无法满足医疗需求。而科学家利用合成生物学手段，在大肠杆菌和酵母中合成出青蒿素的前体物质“青蒿酸”，大幅增加了青蒿素产量。 合成生物学的魔力也让人类难以抑制成为“造物主”的冲动。“一个最理想的状态是，你想要什么细胞，我就能给你造出什么细胞。”中国科学院广州生物医药与健康研究院院长裴端卿这样描述着一幅未来细胞制备的场景。 当然，就目前来看，要想做到随心所欲地制造细胞还为时尚早。 全新的“造物”时代 植物如何使用水、空气和阳光来为自身提供能量，就像人类如何利用各种零件组装电子产品一样充满想象力。如今，生物工程师们正在撰写新代码，希望利用生物学的强大力量设计出新技术来制造细胞，从而将生物学从无法预知的领域带入可预测的“细胞工厂”。 合成生物学就是利用人工合成的方法，对现有、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，通过人工方法创造自然界不存在的“人造生命”。 “我们每个人都是由十个10次方的细胞组成的，但是总体都是由一个细胞来的，这个细胞就是受精卵，它经过十月怀胎变成婴儿，这是个不可逆的过程。”在裴端卿看来，每一个细胞都有自己的命运，决定了它的基因组结构以及调控规律。 但是，他认为，当把这种不可逆的过程变为可逆，也就是说通过设计一套全新的、更有趣的方案，打破“所有细胞都从以前的细胞来”的传统说法，随心所欲的造出一个新细胞来，那将是一项非常有意义的工作。 合成生物学就在落实着这项工作。而进入数据化时代后，海量信息积累在那里，合成生物学甚至可以上升到工程学的范畴。 “我们会从工程化的高度来看待基因，看待模块，把它做成标准化零件，就如同各种不同的机械配件一样，也如同拼图一样可以摆出各种图片。”在接受《中国科学报》记者采访时，中科院院士、武汉生物技术研究院院长邓子新形容道。 可以说，与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一个物种的做法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统，让它们像电路一样运行。 “合成生物学发展至今，实际上对应用科学将更为有的放矢，具有能够更理性化地进行人工改造和设计的高级思维，这将对今后的生命科学产业产生革命性的推动和发展。”邓子新说。 代谢网络是生命之根 可以预见的是，合成生物学有望生产出一些超常规的产品，甚至再造各种不同的器官、组织，这种技术给未来指明了一条提高工业生物技术竞争力、降低生物制造成本、改造生命体的可能的道路，在医药、能源、农业、环保等产业都具有惊人应用潜力。 目前要想做到随心所欲制造细胞还为时尚早。正如邓子新所述：“今天进入了合成生物学时代，并不意味着就可以按照我们的意向把什么东西都拿来合成、进行人工的想象，它还需要许多基础研究的积累，比如代谢组学等。” 邓子新告诉记者，人类的整个生命活动都要经过一系列的代谢过程，这张复杂的代谢网络必须研究到位后，我们才可能随心所欲地人工设计组织器官，人工设计全新的化合物。 邓子新认为，合成生物学构成了应用代谢科学的高级技术集成，合成生物学的繁荣亟待建立成熟的代谢科学体系实现创新转变。从宏观到微观全面地了解细胞是怎么发生作用，才能构建新的生物体系，才能从基础科学研究发展到实用科学研究。 “代谢科学将成生命动能核心驱动力和新一轮大科学计划的聚焦点。所以代谢科学是生命之根，才能催生现代合成生物学产业。”邓子新说。 不过，对于合成代谢网络而言，在异源宿主中均需要确保编码代谢途径的多个基因的协调与平衡，所以，对代谢网络相关基因及调节元件的合理筛选仍然是一个挑战。 “面对目前海量的数据库，如果不对基因进行细致的分析和分类，就不能够加以利用，做成合成生物学模块。不能为我们所用，某种程度上就是废物。”邓子新说。 生物元件亟待标准化 基本生物元件的组装使得生物合成路径成为可能，但是，组装生命远不像组装电路那样简单。合成基因电路构建完毕并载入细胞之后，就有可能对宿主产生非预期的影响，许多生物元件不相兼容，这就给组装生命带来挑战。 美国加州大学旧金山分校合成生物学家克里斯·沃伊特就曾经遇到过这样的问题。沃伊特将从枯草芽孢杆菌中提取的一些基因零部件装配成为一个开关系统，目的是让某些基因在化学刺激下作出反应，激活某种基因表达。 于是，他将这个基因电路送入大肠杆菌，结果在显微镜下发现这些细胞都变得病恹恹的，每天的表现也都不一样。他发现，生物电路的某个部件打乱了大肠杆菌的自然基因表达，也就是说，生物电路设计本身没有问题，只不过某个部件是不兼容的。 业内人士的共识是，生物要想像机器一样可以“组装”，那么就必须解决元件的标准化和适配性问题。 “我们要分别了解在各个不同方面利用的时候的基因特点，所以我们要做成标准化的产品，就像电视、手机要用到标准的产品一样，我们要做出兼容的生物零件，使它成为更有效率、更有利用价值的功能化的模块。”邓子新说。 在发展标准化合成生物元件的过程中，也有很多的方法和原则。比如，可以在已知生物基因组中发掘生物合成路径并加以利用，或者可以从头设计从未有过的新的合成途径。另外，也有专家称，开发标准化的表达系统和基因转移系统也很重要，因为这会使表达元件在不同的生物体中转移，能使得合成的分子来源于不同生物，具有不同的生物活性。 “合成生物学也是现在生物学比较理想的状况，在植物、微生物领域都有可能实现生物产品的人工设计。这是高速发展的领域，因为处于发展初期，社会期待值很高，从孵化、催化阶段，真正走向产业化应用，还需要相当长时间的积累深化。”邓子新说。

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