2013合成生物學專刊序言

陳國強

清華大學生命科學學院，北京 100084

合成生物學是指按照一定的規(guī)律和已有的生物知識，一方面設(shè)計和建造新的生物零件(Biobricks)、裝置和系統(tǒng)；另一方面重新設(shè)計已有的天然生物系統(tǒng)為人類的特殊目的服務(wù)。簡單地說，合成生物學就是通過人工設(shè)計和構(gòu)建自然界中不存在的生物系統(tǒng)來解決能源、材料、健康和環(huán)保等問題。合成生物學強調(diào)“設(shè)計”和“重設(shè)計”。設(shè)計、模擬、實驗是合成生物學的基礎(chǔ)。合成生物學不僅僅是實驗，利用已有的生物學知識，根據(jù)實際的需要進行設(shè)計和重設(shè)計，建立數(shù)學模型對人工的設(shè)計進行模擬從而指導實驗的進行才是合成生物學的方法。合成生物學的核心問題之一是“新生命的合成”。通過新生命的合成擴大生命 (目前主要是微生物)的能力，更好地為人類服務(wù)。

本合成生物學?？?，集中了國內(nèi)相關(guān)實驗室在此領(lǐng)域進行的一些工作，以綜述的形式介紹國內(nèi)以及國際在合成生物學相關(guān)領(lǐng)域進行的一些相關(guān)工作，以使國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域科學工作者能更好地了解該領(lǐng)域的進展，方便自己進行研究工作的選題等。

在本?？?，南開大學的宋存江實驗室回顧了鏈霉菌無痕敲除方法的研究進展。通過對鏈霉菌基因組合理、高效的精簡來提高鏈霉菌代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低底物原料的消耗量。無痕敲除就是開展此項研究的重要手段。中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的馬紅武實驗室介紹了一種基于代謝網(wǎng)絡(luò)分析最小化基因組的方法及其在大腸桿菌中的應(yīng)用，提出了一種從基因組尺度代謝網(wǎng)絡(luò)模型出發(fā)，通過零通量反應(yīng)刪除及對非必需基因組合刪除計算獲得基因組最小化代謝網(wǎng)絡(luò)模型的方法,他們利用該方法簡化了大腸桿菌經(jīng)典代謝網(wǎng)絡(luò)模型iAF1260，由起始的1 260個基因簡化得到了312個基因，而最優(yōu)生物質(zhì)生成速率保持不變。由于光合藍細菌具有一系列良好的特質(zhì)，包括利用太陽能固定CO2、營養(yǎng)需求低、生長迅速以及遺傳背景簡單等。近年來，光合藍細菌作為生產(chǎn)可再生燃料和精細化學制品的“自養(yǎng)型人工細胞工廠”引起了社會的廣泛關(guān)注。因此，天津大學的張衛(wèi)文實驗室正在應(yīng)用合成生物學策略來優(yōu)化光合藍細菌底盤。

當前，全球經(jīng)濟的高速發(fā)展與日益減少的石油資源儲備進一步加劇了能源供需矛盾。人類對開發(fā)利用可再生的纖維素生物質(zhì)資源給予厚望。木糖是木質(zhì)纖維素水解產(chǎn)物中含量僅次于葡萄糖的一種單糖，因此對木糖高效率生物轉(zhuǎn)化的研究成為影響其工業(yè)化前景的關(guān)鍵因素之一。天津大學的陳濤實驗室綜述了生物轉(zhuǎn)化木糖方面的進展，包括木糖代謝途徑的鑒定和設(shè)計、木糖運輸途徑的改造、生物基化學品制備。他們認為，運用合成生物學技術(shù)發(fā)展新一代生物燃料技術(shù)，特別是開發(fā)能夠代謝木糖高產(chǎn)乙醇的微生物工程菌株是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方式。由于生物系統(tǒng)固有的復雜性，僅通過理性設(shè)計，通常難以使合成基因線路發(fā)揮出最優(yōu)的功能。組合工程的興起和發(fā)展為獲得組合優(yōu)化性狀提供了有利條件，并大大促進了具有全新功能的生物系統(tǒng)的構(gòu)建。陳濤實驗室主要從單個元件的微調(diào)、代謝通路的優(yōu)化以及基因組范圍內(nèi)靶點的識別和組合修飾三個方面入手來處理突出的合成生物系統(tǒng)的組合優(yōu)化方法。

微生物基因組精簡優(yōu)化是構(gòu)建合成生物學底盤細胞的重要策略。江南大學王小元實驗室介紹了各種微生物基因組精簡策略，分析了多種基因組精簡菌株的特點，充分展示了基因組精簡優(yōu)化在構(gòu)建合成生物學底盤細胞中的重要作用。

產(chǎn)溶劑梭菌是一類重要的工業(yè)微生物。通過遺傳改造以優(yōu)化產(chǎn)溶劑梭菌的發(fā)酵性能一直是溶劑制造技術(shù)研究中的重要課題，但長期受限于該類菌并不完善的遺傳操作工具，中國科學院上海生命科學研究院顧陽、楊晟和姜衛(wèi)紅對產(chǎn)溶劑梭菌的分子遺傳操作工具研究進展進行了總結(jié)，并指出了現(xiàn)有技術(shù)在效率及全面性方面的不足。今后應(yīng)進一步優(yōu)化現(xiàn)有的梭菌基因失活技術(shù)，如建立基于同源重組的基因刪除和替換、同時也應(yīng)發(fā)展新的分子操作技術(shù)，如基因組多位點共編輯、多拷貝定點和隨機整合等。

中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所田敬東實驗室針對合成生物學的快速發(fā)展對基因合成能力提出的日益迫切的需求，致力于開發(fā)基于微芯片基因合成技術(shù)，并已取得了很多令人振奮的新進展，正在向著高通量、高保真、自動化的方向發(fā)展。中國科學院上海生命科學研究院姜衛(wèi)紅實驗室在介紹了DNA組裝基本理念的基礎(chǔ)上，對體內(nèi)、體外主要的DNA組裝方法進行簡要梳理，希望為不同類型的合成生物學功能器件及生物合成途徑的構(gòu)造提供參考與借鑒。

在蛋白質(zhì)表達水平上進行控制是合成生物學元件設(shè)計、模塊組裝以及適配性研究最核心的手段。中國科學院微生物研究所陶勇實驗室認為類似于工廠中的成本計算，合成生物學創(chuàng)建的人工生命體系 (人工細胞工廠)以蛋白質(zhì)預算為依據(jù)，可以應(yīng)用于合成生物學研究實踐中。中國科學院上海生命科學研究院王勇實驗室重點介紹了如何利用合成生物技術(shù)進行復雜天然產(chǎn)物合成人工生物系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建，包括與此相關(guān)的生物元件理性設(shè)計、生物元件挖掘、途徑裝配與集成，模塊的組裝與系統(tǒng)的適配等內(nèi)容。

最后，中國科學院大連化學物理研究所趙宗保實驗室成功地以釀酒酵母為宿主，表達了焦磷酸賴百當烯二醇酯合酶和香紫蘇醇合酶，構(gòu)建了香紫蘇醇的人工生物合成途徑。在搖瓶培養(yǎng)條件下，組合優(yōu)化得到的工程菌株S6的香紫蘇醇產(chǎn)量達到8.96 mg/L。