合成生物學(xué)的特征及應(yīng)用

凌焱，李玉霞，劉剛，陳惠鵬

20 世紀(jì)，人們對(duì)生命的認(rèn)識(shí)逐步深入，通過(guò)以分子生物學(xué)為核心的技術(shù)方法詮釋如遺傳、發(fā)育、疾病及進(jìn)化等生命現(xiàn)象，獲得了大量關(guān)于基因和蛋白質(zhì)等生命體基本組成元件的結(jié)構(gòu)和功能信息。扎根在這樣的知識(shí)土壤中，以天然的生物元件為素材，以分子生物學(xué)和遺傳工程等現(xiàn)代生物技術(shù)為支撐平臺(tái)，在尋求思維和技術(shù)創(chuàng)新的需求下，合成生物學(xué)（synthetic biology）研究破土而出。

合成生物學(xué)是從人們長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)生命的了解和認(rèn)識(shí)發(fā)展而來(lái)的，是科學(xué)研究經(jīng)歷積累、醞釀和萌發(fā)后水到渠成的結(jié)果，體現(xiàn)了對(duì)生命科學(xué)知識(shí)從學(xué)習(xí)了解到自由運(yùn)用的轉(zhuǎn)變；體現(xiàn)了對(duì)生物系統(tǒng)研究從拆解與還原到拼裝與整合的轉(zhuǎn)變；體現(xiàn)了對(duì)生命的認(rèn)識(shí)從敬畏和膜拜到剖析和創(chuàng)造的轉(zhuǎn)變。

這是人類認(rèn)識(shí)生命的過(guò)程中正在經(jīng)歷的一次重大轉(zhuǎn)變，人們對(duì)其關(guān)注和期待越來(lái)越熱切。在不斷地追溯中，合成生物學(xué)一詞最早出現(xiàn)的時(shí)間甚至提早到了 1911 年[1]。盡管用語(yǔ)相同，但直到 1974 年，Szybalski[2]認(rèn)識(shí)到分子生物學(xué)在遺傳研究領(lǐng)域的巨大前景后提出的合成生物學(xué)展望，才貼近當(dāng)前合成生物學(xué)的研究范疇。2000 年，首次成功制造出類似電路的人造基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是這一研究領(lǐng)域正式誕生的標(biāo)志[3-4]。2010 年，Nature 雜志為合成生物學(xué)創(chuàng)設(shè)10 年發(fā)表專題社論[5]。合成生物學(xué)研究已經(jīng)引起了全世界的廣泛重視，成為當(dāng)今科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一。

1 合成生物學(xué)的概念與特征

目前合成生物學(xué)研究涵蓋范圍廣泛，對(duì)其定義的表述不盡相同：合成生物學(xué)領(lǐng)域知名的網(wǎng)站（http://syntheticbiology.org）這樣描述該領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容：“設(shè)計(jì)和構(gòu)建新型生物學(xué)部件或系統(tǒng)以及對(duì)自然界的已有生物系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并加以應(yīng)用。”2010 年 12 月，美國(guó) 13 位知名專家共同完成了一份名為《新的方向》的研究報(bào)告，專門探討合成生物學(xué)問(wèn)題，文中將合成生物學(xué)的研究目標(biāo)定位為：“將標(biāo)準(zhǔn)化的工程技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)，以此創(chuàng)造出新型或具有特定功能的生命體或生物系統(tǒng)，以滿足無(wú)盡的需求?！睆纳鲜鰞煞N表述中，可以提煉出合成生物學(xué)的 3 個(gè)重要特征：①基于現(xiàn)有知識(shí)和技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新研究；②采用工程化手段；③以應(yīng)用為目標(biāo)。

2 合成生物學(xué)研究意義重大

合成生物學(xué)研究注重生物系統(tǒng)和生物學(xué)功能的創(chuàng)新，從而一方面探索生命起源和進(jìn)化等重大科學(xué)問(wèn)題，另一方面直接面向資源耗竭、環(huán)境污染等社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題以更好造福人類。合成生物學(xué)具有如此重要研究?jī)r(jià)值和自由拓展的空間，激起了學(xué)者們的熱情和創(chuàng)造力，并推動(dòng)生命科學(xué)研究不斷攀升，在 2010 年 6 月達(dá)到了新的高度。

這就是 Venter 研究小組 2010 年公布的成果：他們將人工合成的長(zhǎng)度 1080 kb的絲狀支原體基因組移植到山羊支原體的細(xì)胞中，創(chuàng)造出了新的非天然絲狀支原體細(xì)菌細(xì)胞，宣告第一個(gè)不依賴天然基因模板、人工合成的具有自主復(fù)制能力的細(xì)菌誕生[6]。這項(xiàng)人造生命體的研究成果引發(fā)了國(guó)際社會(huì)的巨大震動(dòng)，受到各方高度關(guān)注。盡管只是階段性成果，但這一步的實(shí)現(xiàn)，是對(duì)生命科學(xué)理論的證明，更堅(jiān)定了學(xué)者們的信心，帶動(dòng)了合成生物學(xué)的普及推廣和深入發(fā)展，為深入開展人造生命研究奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，人們還可以制造新型工業(yè)微生物，用以解決能源匱乏、環(huán)境污染等問(wèn)題，進(jìn)而改善人與自然的關(guān)系，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)進(jìn)入綠色制造時(shí)代，創(chuàng)造出無(wú)法估量的財(cái)富。

3 合成生物學(xué)研究具有工程化特征

人造生命研究是一項(xiàng)宏大的探索性工程，不僅工作量巨大，涉及多個(gè)研究領(lǐng)域，需要回答眾多生命科學(xué)中尚未解釋清楚的問(wèn)題，而且生命體的組成復(fù)雜與精細(xì)也是難以模仿和超越的。面對(duì)細(xì)菌這樣的單細(xì)胞生物，即使科學(xué)界已經(jīng)對(duì)基因組、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組有了長(zhǎng)期的研究，掌握了越來(lái)越多的生物學(xué)“元件”的結(jié)構(gòu)與功能，但仍然沒有完全掌握其調(diào)控系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)，缺乏對(duì)基因間協(xié)同行為的深入認(rèn)識(shí)，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)人為設(shè)計(jì)完整的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。Venter 等開展的人造細(xì)胞研究項(xiàng)目孕育十幾載，方取得了重要的階段性成果，要加速真正意義上的人工合成生命體破繭而出，必須引入工程化的研究手段。

從專家們對(duì)合成生物學(xué)研究范疇的描述中可以發(fā)現(xiàn)，“設(shè)計(jì)”、“構(gòu)建”、“系統(tǒng)”、“標(biāo)準(zhǔn)化”等具有典型工程化特點(diǎn)詞匯占據(jù)了核心地位。將工程化概念引入生命科學(xué)研究，不僅僅是要采用精細(xì)的技術(shù)工藝，更重要的是在學(xué)科理念上強(qiáng)調(diào)工程學(xué)思想，從項(xiàng)目組織到具體實(shí)施過(guò)程中借鑒工程學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)流程，令合成生物學(xué)研究實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系統(tǒng)化，從而推進(jìn)人造生命等科研工程快速發(fā)展。

3.1 工程化的研究模式

在合成生物學(xué)項(xiàng)目的具體實(shí)施過(guò)程中，需要確立應(yīng)用目標(biāo)，明確新型生物系統(tǒng)的預(yù)期功能，通過(guò)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)和制定方案。針對(duì)生命系統(tǒng)的工程化改造和創(chuàng)造有兩種研究模式：一種可以稱為從整體到部分（top-down），是通過(guò)刪減生物系統(tǒng)中的部分元件，來(lái)確定構(gòu)成該系統(tǒng)的基本骨架。這類研究模式的最具代表性的例子，就是通過(guò)基因刪減來(lái)確定細(xì)菌生長(zhǎng)的必需基因的“最小基因組學(xué)”研究[7-9]；另一種可以稱為由細(xì)節(jié)到全局（bottom-up），是采用基本生物學(xué)元件，通過(guò)逐級(jí)拼裝、組合，構(gòu)建相對(duì)復(fù)雜、具有特定功能的生物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)?！吧锎u”的研發(fā)就屬于這類模式[10-12]。人造生命體研究，則是兩種研究模式的組合，即先通過(guò)“top-down”的方式明確生命體的重要組成結(jié)構(gòu)，再采用“bottom-up”的模式實(shí)現(xiàn)合成和組裝[6,13-14]。

3.2 “硬件”與“軟件”缺一不可

合成生物學(xué)研究項(xiàng)目在確立實(shí)驗(yàn)方案后，選定所需的標(biāo)準(zhǔn)化生物學(xué)元件或模塊，設(shè)計(jì)技術(shù)方案，進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段獲得新的生物學(xué)系統(tǒng)，最后實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。這樣的實(shí)現(xiàn)流程與制造計(jì)算機(jī)等工程項(xiàng)目具有相似之處。

與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行類比，生物系統(tǒng)也可以視作由“硬件”和“軟件”兩部分組成：DNA、蛋白質(zhì)等組成生物系統(tǒng)的基本元件可以比作“硬件”，基因組攜帶的遺傳信息以及表達(dá)調(diào)控信息則相當(dāng)于“軟件”。

經(jīng)過(guò)多年的研究，人們對(duì)于生物系統(tǒng)的“硬件”組成已經(jīng)認(rèn)識(shí)得比較清楚，也有能力實(shí)現(xiàn)人造 DNA“硬件”：2002年，Cello 等[15]合成了長(zhǎng)度約 7500 kb 的脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組 DNA，并以此獲得了具有活性的人工合成病毒；2004年，人工合成 DNA 長(zhǎng)度突破 32 kb[16-17]；2008 年，Venter小組從頭合成了長(zhǎng)度超過(guò)了 580 kb 的支原體基因組DNA[14]，到 2010 年則超過(guò)了 1000 kb[6]。在合成生物學(xué)發(fā)展初期，合成基因或基因組 DNA 等“硬件”的技術(shù)水平，為合成生物學(xué)發(fā)展提供了技術(shù)保障，成為領(lǐng)域發(fā)展的重要標(biāo)志。盡管 DNA 合成能力還有很大的提高空間，但隨著DNA 自動(dòng)化合成技術(shù)逐漸成熟[18]，商品化、規(guī)?；苽銬NA 越來(lái)越常見[19]，DNA 合成能力將不再是關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)和研究重點(diǎn)。畢竟，DNA 不僅僅是個(gè)架子，這條美麗“雙螺旋”的真正價(jià)值并不是其長(zhǎng)度，而在于其承載的有效信息。

賦予 DNA 真正的價(jià)值，就是為新的生物系統(tǒng)設(shè)計(jì)DNA 序列信息并制定運(yùn)行規(guī)則，也就是設(shè)計(jì)能夠控制“硬件”運(yùn)轉(zhuǎn)的“軟件”。如此，才能利用無(wú)生命特征的生物學(xué)元件創(chuàng)造出具有活性的新型生命體，才符合合成生物學(xué)的創(chuàng)造性需要。然而，盡管科學(xué)家已經(jīng)開展了人類及多種生物的基因組測(cè)序研究，以及多種組學(xué)以及表觀遺傳學(xué)研究，但是對(duì)于生物系統(tǒng)遺傳信息的解讀依然不透徹，對(duì)負(fù)責(zé)調(diào)控“硬件”運(yùn)轉(zhuǎn)的信息流構(gòu)成還不十分清楚，缺乏編寫“軟件”的能力。

2010 年報(bào)道的人造支原體項(xiàng)目，也僅僅實(shí)現(xiàn)了在兩種十分相近的支原體間進(jìn)行基因組移植，并且必須依賴天然細(xì)胞的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及基因組天然的遺傳信息?？梢?，僅僅掌握人造“硬件”的技術(shù)不能滿足合成生物學(xué)發(fā)展的迫切需求，未來(lái)更重要且更艱巨的課題，是認(rèn)識(shí)基因及基因組與細(xì)胞內(nèi)環(huán)境匹配的關(guān)鍵因素，摸索控制基因協(xié)調(diào)、有序表達(dá)的規(guī)則，進(jìn)而設(shè)計(jì)開發(fā)人造“軟件”，并通過(guò)“軟件”和“硬件”合理組裝，使創(chuàng)造性思維得以體現(xiàn)。

3.3 構(gòu)建工程化的生物系統(tǒng)依靠多學(xué)科技術(shù)支撐

如何將“軟件”與“硬件”組合構(gòu)建成完整的生物系統(tǒng)，又是一道技術(shù)難關(guān)，需要運(yùn)用工程學(xué)、遺傳學(xué)、化學(xué)、微生物學(xué)、計(jì)算科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。與以往的分子生物學(xué)和遺傳工程相比，今天的合成生物學(xué)更多地采用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化以及標(biāo)準(zhǔn)化元件的方式進(jìn)行操作，可以運(yùn)用更多種類的解決方案，從而更快地推動(dòng)了自身的發(fā)展。

作為一個(gè)以多學(xué)科為基礎(chǔ)的綜合性交叉研究領(lǐng)域，在不同學(xué)者眼中，合成生物學(xué)呈現(xiàn)出不同的側(cè)影：對(duì)于生物學(xué)家而言，合成生物學(xué)打開了一扇探索生命奧秘的大門；工程學(xué)家更關(guān)注的是該如何將實(shí)驗(yàn)流程和各類生物學(xué)元件進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，以及如何有效地控制多個(gè)元件的相互協(xié)調(diào)；而如何將標(biāo)準(zhǔn)化的生物學(xué)模塊進(jìn)行數(shù)字化、定量化評(píng)價(jià)，更好地為人造“軟件”進(jìn)行模擬計(jì)算，從而指導(dǎo)生物系統(tǒng)的構(gòu)建，則是計(jì)算科學(xué)在生命科學(xué)中應(yīng)用的突出體現(xiàn)；化學(xué)家和藥物學(xué)家則更愿意將合成生物學(xué)看作多種用途的新型工具，用于高效地生產(chǎn)新型燃料和藥物。將這些側(cè)影匯總，就形成了合成生物學(xué)強(qiáng)大的技術(shù)攻關(guān)能力，為合成生物學(xué)研究項(xiàng)目的實(shí)施提供了有力的保障。

目前，通過(guò)設(shè)計(jì) DNA 序列合成新型蛋白質(zhì)已有很多報(bào)道[20-23]，為實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的新功能開拓了思路；將生物信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化分析、整理并構(gòu)建模擬網(wǎng)絡(luò)的工作正在開展[24-25]；Anderson 和 Zhang 等利用人造的生物模塊構(gòu)建精巧的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了“硬件”和“軟件”的初步整合[26-28]。

在這些研究工作的不斷推動(dòng)下，也許未來(lái)的某一天，就像今天我們走進(jìn)中關(guān)村看到琳瑯滿目的各種計(jì)算機(jī)配件一樣，合成生物學(xué)大廈里也將分門別類地放置各種生物學(xué)配件，并提供相應(yīng)的安裝指南，人們只需要提出自己的應(yīng)用目標(biāo)就可以快速獲得一套新型的生物系統(tǒng)。

4 合成生物學(xué)的研究目標(biāo)

合成生物學(xué)的發(fā)展以應(yīng)用為目標(biāo)，傳承了生命科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)體系、發(fā)展了遺傳工程的技術(shù)手段、借鑒了工程學(xué)的研究模式、用自由的想象豐富了創(chuàng)新的能力，這些準(zhǔn)備都是為了實(shí)現(xiàn)“科技創(chuàng)造價(jià)值；科技造福人類”的理念。求新求變的合成生物學(xué)為科學(xué)界注入了生機(jī)與活力，使學(xué)者們的視野更開闊，思維更活躍。新思路、新技術(shù)和研究成果如雨后春筍般涌現(xiàn)，合成生物學(xué)研究呈現(xiàn)出百花齊放的局面。

4.1 探索生命的奧秘

經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的自然進(jìn)化，形成了現(xiàn)今我們認(rèn)識(shí)的這個(gè)生物世界。不論現(xiàn)有生命模式是否完美，今天的人類都無(wú)法重復(fù)這一充滿偶然事件的過(guò)程，抑或重新選擇進(jìn)化道路。但是，當(dāng)合成生物學(xué)武裝了人們的好奇心與創(chuàng)造力時(shí)，學(xué)者們有了更多的思考和嘗試, 也許圍繞生命奧秘的疑團(tuán)，將在合成生物學(xué)的幫助下被一一解開：Neumann 等[29-30]設(shè)計(jì)了新的非天然氨基酸并擴(kuò)展了遺傳密碼；不同研究小組設(shè)計(jì)了稱作“人工擴(kuò)展的遺傳信息系統(tǒng)”，并創(chuàng)造了新型核苷酸[31-32]；Lee 等[33-34]創(chuàng)造了 xDNA 和 yDNA，從而改變了 DNA 雙螺旋的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；2008 年，通過(guò)長(zhǎng)期從事細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的研究，創(chuàng)造出能自行組裝的人工模擬細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)[35-36]；2009年的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Szostak 率領(lǐng)研究小組[37]構(gòu)建了原細(xì)胞（protocell）模型，并探索了這些地球最初的細(xì)胞如何與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換；哈佛大學(xué)的 Forster 和 Church[38]開展了多項(xiàng)合成生物學(xué)研究，包括合成最小細(xì)胞以及從頭合成具有生物學(xué)功能的人造核糖體（未報(bào)道）；為了研究改造后的基因組在新細(xì)胞中的特征及功能，Endy 等[39]對(duì) T7 噬菌體的基因組進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并用其取代了野生型的基因組；Lartigue 等[40]在兩種支原體間實(shí)現(xiàn)了基因組移植和取代，在此基礎(chǔ)上，Gibson 等[6]利用從頭合成的基因組獲得了人造支原體細(xì)胞。

合成生物學(xué)研究在生命科學(xué)領(lǐng)域的探索推動(dòng)了人造生命體研究的快速發(fā)展，也為能源、環(huán)境、醫(yī)藥衛(wèi)生等生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打開了一扇新的大門。

4.2 制備清潔能源

目前，全球都面臨著資源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力，應(yīng)用合成生物學(xué)技術(shù)可以從可再生資源中制備清潔能源，從而減少對(duì)于化石燃料的依賴，減少有害物排放，進(jìn)而緩解由石油資源觸發(fā)的一系列政治和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

應(yīng)用合成生物學(xué)技術(shù)改造的“超級(jí)”酵母或細(xì)菌通過(guò)對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化[41]，可以將林業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活的廢料、廢水轉(zhuǎn)化為新型的生物能源[42]，并通過(guò)提高生物能轉(zhuǎn)化的速度和效率向規(guī)模化應(yīng)用發(fā)展[43]。建立、健全以合成生物學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的可持續(xù)發(fā)展的生物工業(yè)體系，將是緩和能源、環(huán)保等領(lǐng)域所面臨嚴(yán)峻形勢(shì)的解決途徑之一，并將創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

4.2.1 生物醇類替代能源 美國(guó) Amyris 公司正在應(yīng)用合成生物學(xué)技術(shù)平臺(tái)，利用酵母制備纖維素乙醇。而生物丁醇產(chǎn)物經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單純化甚至可以直接用于傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，BP 公司與 DuPont 公司、美國(guó)能源部下屬的 Joint Bioenergy 研究所、美國(guó)的 Gevo 以及 LS9 公司都在通過(guò)改造細(xì)菌研制生物丁醇。Atsumi 等[44]研制的大腸桿菌更適用于工業(yè)化生產(chǎn)生物丁醇。

4.2.2 藻類替代能源 通過(guò)合成生物學(xué)手段制造生物能源的另一個(gè)渠道，是利用能夠進(jìn)行光合作用的藻類[45]，并且藻類產(chǎn)生的生物石油的物理和化學(xué)性質(zhì)與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的石油來(lái)源的燃料十分接近[46]。美國(guó) Aurora Algae 公司已經(jīng)具備工業(yè)化制藻的能力并不斷擴(kuò)大規(guī)模。美國(guó) Synthetic Genomics 利用合成生物學(xué)技術(shù)改造的藻類細(xì)胞持續(xù)分泌“生物石油”，在 2009 年與 ExxonMobil 公司達(dá)成了總值6 億美元的合作協(xié)議，有望在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。美國(guó)海軍已經(jīng)采用了美國(guó) Solazyme 公司輸送的藻類來(lái)源燃料。更進(jìn)一步，美國(guó)大陸航空公司（Continental Airlines Inc.）采用海藻提取物作為部分燃料，已于 2009 年實(shí)現(xiàn)首次商業(yè)飛行。

4.2.3 生物制氫 氫是非常理想的燃料。生物制氫是合成生物學(xué)工業(yè)化應(yīng)用的又一重要研究項(xiàng)目。采用改造的細(xì)菌和藻類實(shí)現(xiàn)生物制氫的方案正在研發(fā)中[47]。目前最有前景的研究方案是采用合成的酶解通路，通過(guò)降解淀粉和水實(shí)現(xiàn)高效制氫[27]。此方案不僅僅可以制備氫燃料，將糖類物質(zhì)視為氫的載體還緩解了存儲(chǔ)困難的問(wèn)題。

4.3 環(huán)境治理

學(xué)者們正在積極努力地改進(jìn)和運(yùn)用人造微生物的特殊能力，期望能更有效地發(fā)揮其功能，從而解決現(xiàn)在及未來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。例如：利用 DNA 傳感器監(jiān)測(cè)食物腐敗情況及土壤的養(yǎng)分含量[48]；采用人造微生物分泌的生物表面活性劑清除土壤和水體中的污染物，實(shí)現(xiàn)可控的生物修復(fù)[49]。

2010 年美國(guó)墨西哥灣及其他地區(qū)的原油泄露事故，對(duì)自然環(huán)境造成了惡劣影響。應(yīng)用合成生物學(xué)改造的微生物將能夠更有效地控制污染，并保護(hù)生態(tài)環(huán)境[50]。此外，合成生物學(xué)技術(shù)也已經(jīng)用于有毒化工產(chǎn)品的生物降解，包括處理工業(yè)生產(chǎn)中常用的冷卻劑、溶劑、爆炸物以及石油、煤炭及焦油的燃燒殘?jiān)萚51-52]。

4.4 合成生物學(xué)為公眾健康服務(wù)

4.4.1 藥物研發(fā) 通過(guò)改造生命體的代謝通路來(lái)認(rèn)識(shí)和控制生產(chǎn)藥物的代謝過(guò)程，早已得到廣泛應(yīng)用，采用工程化細(xì)菌和細(xì)胞生產(chǎn)胰島素、疫苗等臨床藥物已有超過(guò) 30 年的歷史。與此相比，雖然合成生物學(xué)對(duì)于藥物研發(fā)的推動(dòng)作用還處在初期，但其能夠更高效地篩選新藥，實(shí)現(xiàn)源頭創(chuàng)新以及優(yōu)化制備工藝、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢(shì)正在逐漸顯現(xiàn)。

生物合成次級(jí)代謝產(chǎn)物是極具應(yīng)用價(jià)值的研究之一，可以為藥物研發(fā)提供豐富資源。Keasling[53]重新設(shè)計(jì)了生產(chǎn)青蒿素的代謝途徑并提高了產(chǎn)能，令抗瘧藥的研究成果廣為人知，在制藥業(yè)巨頭賽諾菲-安萬(wàn)特公司的積極運(yùn)作下，這一采用合成生物學(xué)技術(shù)路線研制的藥物有望于 2012 年上市，其低廉的價(jià)格和穩(wěn)定的供應(yīng)將令無(wú)數(shù)患者受益。Cheng 等[54]構(gòu)建了體外多酶全合成途徑，在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)合成出天然抗生素-腸道菌素，大大減少了藥物的生產(chǎn)環(huán)節(jié)并縮短了制備周期。此外，合成生物學(xué)技術(shù)還可用于構(gòu)建藥物篩選相關(guān)的分子及細(xì)胞模型。

4.4.2 疫苗研制 合成生物學(xué)可提高疫苗研制能力的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在甲型流感疫苗的制備過(guò)程中能夠得到突出體現(xiàn)：變異快是流感病毒的重要特點(diǎn)，因此流感疫苗也就具有很強(qiáng)的時(shí)效性。采用合成生物學(xué)技術(shù)可以在獲得臨床分離株的全部基因信息，而未獲得實(shí)物病毒株的情況下，通過(guò)從頭合成，快速得到完全一致的毒株，為疫苗研制提供樣本、爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間，還有助于盡早開展對(duì)新流行株的傳染性與致病性研究，為政府制定防治策略提供信息。此外，合成生物學(xué)技術(shù)為研制新型、多價(jià)疫苗，構(gòu)建用于疫苗篩選或培養(yǎng)的細(xì)胞株等重要環(huán)節(jié)提供了新方法。

4.4.3 醫(yī)療衛(wèi)生 基因組學(xué)、分子生物學(xué)研究成果對(duì)于疾病預(yù)防與治療具有重要的參考價(jià)值，合成生物學(xué)則成為了將研究成果付諸實(shí)現(xiàn)的手段和工具。例如，針對(duì)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)特點(diǎn)，Anderson 等[26]設(shè)計(jì)出可以根據(jù)機(jī)體內(nèi)局部環(huán)境的改變（例如低氧環(huán)境）觸發(fā)藥物釋放或者終止功能的微生物，從而實(shí)現(xiàn)靶向殺傷腫瘤細(xì)胞。Lu 和 Collins[55]利用改造后具有酶解能力的噬菌體高效清除了生物膜上的細(xì)菌，可望用于醫(yī)療行業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)的器械消毒及防治家畜疾病。

5 將知識(shí)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力

合成生物學(xué)對(duì)于生命科學(xué)、能源與食品、公眾健康、經(jīng)濟(jì)健康快速發(fā)展乃至國(guó)家安全都有著重要影響。英國(guó)皇家工程院于 2009 年 5 月發(fā)表的《合成生物學(xué)》藍(lán)皮書中提出：“合成生物學(xué)將注定成為創(chuàng)造國(guó)家財(cái)富至關(guān)重要的因素，……合成生物學(xué)對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響將很可能會(huì)接近、甚至超過(guò)一個(gè)世紀(jì)前化學(xué)合成所起的推動(dòng)作用”。盡管目前大部分合成生物學(xué)的研究成果只是初具規(guī)模，但幾年內(nèi)就將有若干應(yīng)用產(chǎn)品推向市場(chǎng)[56]。根據(jù)從事市場(chǎng)情報(bào)分析的 Global Industry Analysts 公司預(yù)測(cè)，到 2015 年，合成生物學(xué)的全球市場(chǎng)總值將超過(guò) 45 億美元。

目前，美國(guó)主導(dǎo)了這一領(lǐng)域內(nèi)開展的大多數(shù)研究項(xiàng)目。我國(guó)的合成生物學(xué)研究尚處于萌芽階段，但在學(xué)者們的積極推動(dòng)下，已經(jīng)獲得了廣泛的重視，國(guó)內(nèi)企業(yè)也與科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)，力爭(zhēng)我國(guó)趕上新一波的科技與經(jīng)濟(jì)浪潮。

6 結(jié)語(yǔ)

合成生物學(xué)在當(dāng)代生物科技發(fā)展中誕生，正在推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。展望未來(lái)，由人類設(shè)計(jì)的各種微生物或其他人工生命，將廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)境治療，能源生產(chǎn)等領(lǐng)域，高效為人類服務(wù)。

在科技發(fā)展的道路上，幾乎沒有一項(xiàng)技術(shù)是零風(fēng)險(xiǎn)的。當(dāng)合成生物學(xué)直指創(chuàng)造生命的時(shí)候，風(fēng)險(xiǎn)也與利益相伴，人們的期盼與擔(dān)憂交織。圍繞合成生物學(xué)帶來(lái)的生物安全和生命倫理學(xué)等問(wèn)題，已在科學(xué)界展開了十余年的熱烈討論，多國(guó)政府也對(duì)如何維護(hù)合成生物學(xué)的健康發(fā)展和防止其謬用予以高度關(guān)注。合成生命的研發(fā)需要在謹(jǐn)慎的引導(dǎo)下進(jìn)行。

新興的合成生物學(xué)在異想天開的憧憬與積極的務(wù)實(shí)工作中逐步發(fā)展，必將加快“把科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力”的進(jìn)程。這股勢(shì)不可擋的科技發(fā)展浪潮，必將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

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