合成生物學(xué)研究進(jìn)展及應(yīng)用前景

閆建俊，白云鳳，張忠梁，馮瑞云，張維鋒

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030032）

合成生物學(xué)是建立在系統(tǒng)生物學(xué)、生物化學(xué)、生物物理學(xué)、生物信息學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)之上，旨在設(shè)計(jì)、改造、重構(gòu)或創(chuàng)造生物分子，進(jìn)而使這些分子在生命系統(tǒng)中具有活性功能。其包括兩重含義：一是設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物零件、組件和系統(tǒng)；二是對現(xiàn)有的、天然存在的生物系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改造。合成生物學(xué)從解構(gòu)生命體到重構(gòu)甚至創(chuàng)建生命體，拓展了人們對生物大分子及其相互關(guān)系的理解。2004年，美國的《技術(shù)評論》雜志將合成生物學(xué)列為新出現(xiàn)的將改變世界的十大技術(shù)之一。2007年，歐盟啟動(dòng)了《合成生物學(xué)——新出現(xiàn)的科學(xué)技術(shù)》引導(dǎo)項(xiàng)目。我國也有專家建議把合成生物學(xué)提升到關(guān)乎我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心技術(shù)的高度來考慮[1]。

人類對合成生物分子乃至合成生命的探索由來已久，而20世紀(jì)60年代開始的對于核酸和蛋白質(zhì)等有機(jī)物的人工合成為合成生物學(xué)奠定了基礎(chǔ)。1965年，我國人工合成了結(jié)晶牛胰島素，這是世界上首次人工合成的蛋白質(zhì)，也是當(dāng)時(shí)人工合成的具有生物活力的最大有機(jī)化合物[2]。1979年，Khorana等合成了酪氨酸阻遏tRNA及其編碼基因[3]。1983，我國王德寶等[4]合成了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸（Yeastalanine tRNA），這是世界上最早人工合成的具有與天然分子相同化學(xué)結(jié)構(gòu)和完整生物活性的核糖核酸。我國在合成生物學(xué)方面對世界貢獻(xiàn)較大。

1 合成生物學(xué)的研究進(jìn)展

1990年，美國牽頭啟動(dòng)了人類基因組計(jì)劃。在全球科學(xué)家的共同努力下，于2000年完成了人類基因組框架圖。這期間積累的知識和技術(shù)極大地推動(dòng)了合成生物學(xué)的發(fā)展，人們開始了從合成基因組到合成生命的探索。2000年1月，Gardner等[5]在大腸桿菌中構(gòu)建了基因開關(guān)（Toggle switch），這是一個(gè)人工合成的雙穩(wěn)態(tài)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；Elowitz等構(gòu)建了第一個(gè)人工合成的生物振蕩器——壓縮振蕩子（Repressilator），這2項(xiàng)事件標(biāo)志著合成生物學(xué)作為一項(xiàng)新的領(lǐng)域正式產(chǎn)生。2002年，Wimmer小組[6]用無生命的化合物合成了具有侵染性的脊髓灰質(zhì)炎病毒（Poliovirus）。該病毒是正單鏈RNA病毒，侵入細(xì)胞后，合成與正鏈RNA序列互補(bǔ)的負(fù)鏈RNA，然后再以負(fù)鏈RNA為模板，合成新的病毒基因組。Wimmer小組則不依賴天然模板，完全用化學(xué)方法先合成與病毒基因組RNA互補(bǔ)的cDNA，然后在體外轉(zhuǎn)錄出病毒的RNA，在無細(xì)胞培養(yǎng)液中翻譯并復(fù)制，最終重新裝配成具有侵染能力的病毒。將此病毒注入小鼠，能使其感病。該項(xiàng)研究開辟了利用已知基因組序列，不需要天然模板，從化學(xué)單體合成感染性病毒的道路。2003年，Hammiton等僅用2周時(shí)間合成了噬菌體φX174的基因組，注入大腸桿菌，大腸桿菌細(xì)胞的反應(yīng)與感染天然φX174噬菌體一樣[7]。2008年，Becker等設(shè)計(jì)并合成了蝙蝠體內(nèi)的SARS樣冠狀病毒基因組[8]，并將該基因組中受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（Receptorbinding domain，RBD）替換為SARS病毒的RBD，使其成功感染了培養(yǎng)的人呼吸道上皮細(xì)胞。這一29.7 kb的RNA序列是當(dāng)時(shí)合成的最大的可以自我復(fù)制的基因組。同年，Venter等在分離出原核生物蕈狀支原體的整個(gè)基因組并將其移植到山羊支原體中，實(shí)現(xiàn)了不同物種間的基因組傳輸之后，利用酵母細(xì)胞的同源重組完成了生殖支原體的全基因組合成，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)世界上最大的人工合成的基因組DNA（582 970個(gè)堿基對），這也是首例完全由人工化學(xué)合成、組裝的完整的細(xì)菌基因組。為了突出這是人工化學(xué)合成的基因組，他們在基因組的多處插入了“水印”序列。至此，人工化學(xué)合成病毒和細(xì)菌基因組均已實(shí)現(xiàn)。2010年，Venter等用化學(xué)方法合成了蕈狀支原體的基因組DNA[9]，將其移入山羊支原體細(xì)胞，人造細(xì)胞表現(xiàn)出蕈狀支原體的生長特性，首次創(chuàng)造出由化學(xué)合成基因組控制的細(xì)菌細(xì)胞。上述研究成果為應(yīng)用合成生物學(xué)方法改造、構(gòu)建新型細(xì)菌奠定了基礎(chǔ)。

2 合成生物學(xué)的應(yīng)用前景

合成生物學(xué)在人類認(rèn)識生命、重新設(shè)計(jì)及改造生物等方面科學(xué)意義重大，并將在環(huán)境保護(hù)、新生能源開發(fā)、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.1 環(huán)境監(jiān)測和治理

利用合成生物學(xué)思路，對微生物進(jìn)行改選，并把其用于環(huán)境污染監(jiān)測。如飲用水中的砷危害人體健康，而目前砷的檢測方法難以達(dá)到世界衛(wèi)生組織要求的精度（＜10 ppb）。大腸桿菌砷探測器可解決這一問題。該探測器以砷敏感基因?yàn)榛A(chǔ)，設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)代謝通路。水中的砷含量超過正常水平時(shí)，砷敏感基因表達(dá)，激活此代謝通路，刺激該細(xì)菌的一系列基因表達(dá)，最后合成酸性物質(zhì)，通過監(jiān)測pH值就能確定砷或亞砷酸鹽的濃度。這種方法靈敏度高，操作簡便，成本低廉。

合成生物學(xué)在清除環(huán)境污染方面亦有廣闊前景。比如美國Berkley大學(xué)成功構(gòu)建出一種能降解有機(jī)磷酸酯的假單胞菌工程植株。該工程菌能治理由有機(jī)磷酸酯物質(zhì)（如殺蟲劑）使用給土壤、食品和生態(tài)所帶來的污染。此外，通過合成生物學(xué)還有望構(gòu)建出各種專門負(fù)責(zé)凈化如二氧化硫、氮氧化合物、氨氮化合物、汞、氰化物等污染物的工程微生物體，將對環(huán)境凈化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2.2 新生能源的開發(fā)

目前，生物燃料的獲取主要通過2種途徑：利用糖發(fā)酵生產(chǎn)酒精或從植物油中提煉生物柴油。然而，這些方法生產(chǎn)效率不高，還需要消耗大量的有機(jī)物質(zhì)甚至糧食，進(jìn)一步加劇了糧食緊張局勢。通過合成基因組學(xué)的方法，對自然界中現(xiàn)存的能夠?qū)⒍趸嫁D(zhuǎn)化為甲烷的細(xì)菌進(jìn)行改造，用合成染色體替換其原有染色體，使其僅具有代謝二氧化碳的功能，成為一個(gè)專門生產(chǎn)甲烷的全新生物體，促進(jìn)生物燃料的使用，解決人類面臨的能源危機(jī)，同時(shí)也可減少由于能源消耗所帶來的環(huán)境問題。

2.3 藥物開發(fā)和疾病治療

傳統(tǒng)中藥材艾草內(nèi)的有效成分青蒿素含量很低，提取費(fèi)用很高。Keasling實(shí)驗(yàn)室將多個(gè)青蒿素生物合成基因?qū)虢湍妇鶾10]，產(chǎn)生了青蒿酸。并通過對代謝網(wǎng)絡(luò)的不斷改造和優(yōu)化，使產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級水平的提高。這一研究使青蒿素的制造費(fèi)用大大降低，推動(dòng)了該藥品的生成。細(xì)菌或者病毒能夠識別和侵染特定細(xì)胞，并引發(fā)毒害作用。利用合成生物學(xué)手段，對它們的生物學(xué)特性進(jìn)行改造，使其失去致病性，但能識別機(jī)體惡性細(xì)胞。利用這些改造后的細(xì)菌或者病毒來傳遞治療藥物，將對癌癥和其他相關(guān)疾病的治療具有更好的作用。

3 合成生物學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

合成生物學(xué)是建立在基因工程基礎(chǔ)之上?；蚬こ掏ǔ＾D(zhuǎn)移的是1個(gè)或少數(shù)幾個(gè)基因，目標(biāo)是改良生物體的1個(gè)或少數(shù)幾個(gè)性狀，如轉(zhuǎn)基因抗蟲棉僅僅是對棉鈴蟲的抗性高，其他性狀與普通棉花沒有區(qū)別。合成生物學(xué)通常涉及的是1組基因，要在更大規(guī)模、更多層次上涉及到細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，包括基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、蛋白相互作用網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)等?！跋窠M裝電路一樣組裝生命”是合成生物學(xué)研究思路的形象比喻。實(shí)際上，細(xì)胞內(nèi)部基因表達(dá)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)如同蜘蛛網(wǎng)一樣繁雜精細(xì)，往往是牽一發(fā)而動(dòng)全身。表觀遺傳學(xué)研究表明，一些序列正確的DNA組裝成染色體后還是會在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生沉默。外源基因的插入還可能造成細(xì)胞原有代謝途徑的改變，從而影響到正常生命活動(dòng)的進(jìn)行。另外，生命系統(tǒng)的復(fù)雜多變、系統(tǒng)中各部件的功能尚不明朗，這些成為合成生物學(xué)研究面臨的挑戰(zhàn)。

如同30多a前的DNA重組技術(shù)是否會對人類健康造成威脅一樣，合成生物學(xué)也面臨類似的問題：人工合成的微生物逃逸到環(huán)境，是否會對人類和其他生物的安全造成威脅；在實(shí)驗(yàn)室中制造的未經(jīng)自然選擇的物種，是否會破壞生態(tài)平衡？倘若合成生物技術(shù)被應(yīng)用于制造生物武器，那后果更是不堪設(shè)想。

合成生物學(xué)是把“雙刃劍”。積極開展合成生物學(xué)潛在風(fēng)險(xiǎn)的評估和防范，同時(shí)應(yīng)用其成果造福人類，這才是合成生物學(xué)本身的意義所在。

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