走進(jìn)合成生物學(xué)

劉虎虎 田云

隨著國家“十四五”規(guī)劃、“中國制造2025”以及“健康中國行動(dòng)”等一系列政策和文件的出臺與實(shí)施，我國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。其中新出現(xiàn)的合成生物學(xué)一詞經(jīng)常出現(xiàn)在新聞?lì)^條上，伴隨著人工合成微生物、人工合成酵母染色體、青蒿素的發(fā)酵生產(chǎn)以及人工合成淀粉、葡萄糖和脂肪酸的實(shí)現(xiàn)，合成生物學(xué)被喻為是“認(rèn)識生命的鑰匙”（建物致知）和“改變未來的顛覆性技術(shù)”（建物致用）[1，2]。

合成生物學(xué)的誕生與發(fā)展

19世紀(jì)初，人們普遍認(rèn)為有機(jī)物是與生命現(xiàn)象密切相關(guān)的，是生物體內(nèi)一種特殊的、神秘的“生命力”作用下產(chǎn)生的，只能從生物體內(nèi)得到，不能人工合成，這就是當(dāng)時(shí)的“生命力”學(xué)說。1828年，德國化學(xué)家維勒（F. Wohler）使用無機(jī)物氰酸銨人工合成了有機(jī)物尿素，從而給“生命力”學(xué)說以沉重打擊。20世紀(jì)初，法國化學(xué)家勒杜克（S. Leduc）試圖通過物理的理論來解釋生命的現(xiàn)象。他通過溶質(zhì)滲透和擴(kuò)散方法模擬了人工合成細(xì)胞及其次生細(xì)胞群，揭示了無機(jī)營養(yǎng)與人工絲狀真菌發(fā)育的關(guān)系，并用礦物質(zhì)模擬了生物的趨光性、趨化性和趨電性。這些研究結(jié)果揭示，生物學(xué)僅僅是流體物理學(xué)的一個(gè)分支，物質(zhì)的物理學(xué)機(jī)制可能導(dǎo)致生命的出現(xiàn)。但是，因?yàn)楫?dāng)時(shí)知識和觀察能力的局限，這些研究只能停留于生命表型和流體物理表型相關(guān)的“合成”描述，距離真正認(rèn)識和改造生命的科學(xué)研究還很遠(yuǎn)。1913年，《自然》周刊系統(tǒng)評述了勒杜克的相關(guān)研究，合成生物學(xué)一詞首次正式在學(xué)術(shù)期刊出現(xiàn)。

1950—1960年代，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和胰島素一級結(jié)構(gòu)等先后被確定，具有生物活性的核酸和蛋白質(zhì)等也實(shí)現(xiàn)了人工合成。我國科學(xué)家在1965年和1981年分別首次人工合成了牛胰島素和酵母丙氨酸t(yī)RNA，證實(shí)蛋白質(zhì)和核糖核酸都可以人工合成，從根本上推翻了所謂的“生命力”學(xué)說。20世紀(jì)70年代，隨著重組DNA技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，“合成生物學(xué)”被再次提出。波蘭遺傳學(xué)家斯吉巴爾斯基（W. Szybalski）提出了合成生物學(xué)的愿景：“一直以來，人們都在做分子生物學(xué)描述性方面研究，但當(dāng)我們進(jìn)入合成生物學(xué)的階段，真正的挑戰(zhàn)才開始。我們會設(shè)計(jì)新的調(diào)控元素，并將新的核酸序列加入已存在的基因組內(nèi)，甚至建構(gòu)一個(gè)全新的基因組”，并認(rèn)為“這將是一個(gè)擁有無限潛力的領(lǐng)域，幾乎沒有任何事能限制我們?nèi)プ鲆粋€(gè)更好的控制回路。最終，將會有合成的有機(jī)生命體出現(xiàn)”。

1990年代后期，隨著人類基因組計(jì)劃的成功推進(jìn)，各種“生物組學(xué)”以及生物信息學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)等交叉學(xué)科迅速發(fā)展，在世紀(jì)之交，研究者在“設(shè)計(jì)—建造—測試”的工程學(xué)理念基礎(chǔ)之上，成功實(shí)踐出利用生物元件構(gòu)建成邏輯線路，如美國普林斯頓大學(xué)的伊洛維茲（M. B. Elowitz）等運(yùn)用3個(gè)轉(zhuǎn)錄抑制系統(tǒng)相互抑制的關(guān)系，研制出新型基因振蕩器。鑒于此，在2000年的美國化學(xué)學(xué)會年會上，斯坦福大學(xué)的庫爾（E. Kool）重新定義了“合成生物學(xué)”概念，即基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程和工程方法的人工生物系統(tǒng)研究，從基因片段、DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號傳導(dǎo)路徑到細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成。這標(biāo)志著合成生物學(xué)的正式出現(xiàn)，隨后迅速獲得廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是繼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)和人類基因組計(jì)劃之后的“第三次生命科學(xué)技術(shù)革命”。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，合成生物學(xué)發(fā)展迅速，大致可以分為4個(gè)階段：①合成生物學(xué)的創(chuàng)建時(shí)期（2000—2003年），這個(gè)時(shí)期產(chǎn)生了許多具備領(lǐng)域特征的研究手段和理論，特別是基因線路工程的建立及在代謝工程中的成功運(yùn)用；②摸索完善時(shí)期（2004—2007年），這個(gè)時(shí)期的重要特征是雖然領(lǐng)域有擴(kuò)大趨勢，但工程技術(shù)進(jìn)步比較緩慢；③快速創(chuàng)新和應(yīng)用轉(zhuǎn)化時(shí)期（2008—2013年），這個(gè)時(shí)期涌現(xiàn)出了大量新技術(shù)和新工程手段，特別是人工合成基因組能力的提升，以及基因組編輯技術(shù)的突破等，從而使合成生物學(xué)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展；④飛速發(fā)展新時(shí)期（2014年至今），該時(shí)期研究成果全面提升，特別是酵母染色體的人工合成等領(lǐng)域取得突破性成果，為人類實(shí)現(xiàn)“能力提升”的宏偉目標(biāo)奠定了重要基礎(chǔ)。

合成生物學(xué)的應(yīng)用

作為21世紀(jì)生物學(xué)領(lǐng)域催動(dòng)原創(chuàng)突破和學(xué)科交叉融合的前沿代表，合成生物學(xué)不僅推動(dòng)人類實(shí)現(xiàn)從“認(rèn)識生命”到“設(shè)計(jì)生命”的偉大跨越，也將在一定程度上對生命科學(xué)研究范式進(jìn)行改寫，即通過設(shè)計(jì)、改造和創(chuàng)造生命體系來理解生命，從而探尋是否具有支配生命復(fù)雜體系的自然法則。此外，合成生物學(xué)通過基因網(wǎng)絡(luò)工程，形成多學(xué)科交叉融合，其研究領(lǐng)域、研究內(nèi)容和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面將迎來新的突破，也將為解決人類社會相關(guān)的全球性重大問題提供重要途徑。

合成生物學(xué)與人工合成生命

2010年，美國文特爾（J. C. Venter）研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、合成和組裝了1.08 Mb長的蕈狀支原體基因組，并把它移植到已經(jīng)剔除遺傳信息的山羊支原體受體細(xì)胞中，創(chuàng)造了世界上第一個(gè)僅由人工化學(xué)合成染色體控制的、具有自我復(fù)制能力的新細(xì)胞“Synthia”；2016年，研究人員在Synthia的基礎(chǔ)之上，不斷嘗試刪除基因組中的不必要基因，最終把901個(gè)基因刪除到只剩下473個(gè)基因，制造出最簡單的人造合成細(xì)胞——Syn 3.0合成細(xì)胞[3]，文特爾也因此被譽(yù)為“人造生命之父”。2019年，英國劍橋大學(xué)泰真（J. W. Chin）研究組通過將大腸桿菌4 Mb長的基因組全部替換為合成基因組，創(chuàng)造出只使用61種密碼子的人造基因組大腸桿菌Syn61，打破了傳統(tǒng)生命體中共有64個(gè)密碼子編碼蛋白質(zhì)的認(rèn)知，這是迄今為止完成的最大人工合成基因組[4]。

2011年，中國、美國、英國等多國研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開始實(shí)施第一個(gè)真核生物基因組合成計(jì)劃——合成酵母基因組計(jì)劃（Sc2.0），旨在對釀酒酵母的整個(gè)基因組進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造與人工合成。2014年，安娜盧儒（N. Annaluru）等報(bào)道了首條完整的合成型真核生物染色體——合成型釀酒酵母3號染色體（synⅢ）。2017年，Sc2.0團(tuán)隊(duì)完成了釀酒酵母synⅡ、synⅤ、synⅥ、synⅩ和synⅫ共5條合成型染色體的從頭設(shè)計(jì)與合成，宣布有關(guān)合成型酵母基因組1/3的工作已經(jīng)完成。其中，中國科學(xué)家領(lǐng)銜完成了其中的4條：天津大學(xué)元英進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)完成了5號、10號釀酒酵母染色體的化學(xué)合成[5，6]；清華大學(xué)戴俊彪研究員團(tuán)隊(duì)完成了當(dāng)前已合成釀酒酵母染色體中最長的12號染色體的全合成[7]；深圳華大基因研究院團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國愛丁堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成了釀酒酵母2號染色體的設(shè)計(jì)與合成[8]。2018年，美國博克（J. D. Boeke）團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù)將釀酒酵母的16條染色體融合在一起，構(gòu)建出只含有2條染色體的“16合2”染色體新酵母菌株。與此同時(shí)，我國科學(xué)家通過15輪的染色體融合將釀酒酵母天然的16條染色體逐一融合，人工創(chuàng)建了只含有單條線型染色體的“16合1”染色體酵母細(xì)胞SY14 [9]。

單條染色體雖然在三維結(jié)構(gòu)上有極大的改變，但是單染色體的酵母具有與野生型菌株相似的轉(zhuǎn)錄組和表型組，并且單染色體的酵母還保持了減數(shù)分裂的能力，說明單染色體的釀酒酵母可以具有正常的細(xì)胞功能，顛覆了染色體三維結(jié)構(gòu)決定基因時(shí)空表達(dá)的傳統(tǒng)觀念，揭示了染色體三維結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)細(xì)胞生命功能的全新關(guān)系。

合成生物學(xué)與綠色生物制造

合成生物學(xué)通過設(shè)計(jì)和構(gòu)建細(xì)胞工廠，能夠使細(xì)胞以淀粉、纖維素、CO2等可再生碳為原料，生產(chǎn)重要的化工產(chǎn)品、天然藥物、食品、生物能源以及生物材料等產(chǎn)品，具有清潔、高效、可再生等優(yōu)點(diǎn)，開創(chuàng)了傳統(tǒng)石化產(chǎn)品、天然藥物等產(chǎn)品的全新生產(chǎn)模式。

青蒿素是一種應(yīng)用非常廣泛的抗瘧藥物，目前市售的青蒿素主要是從植物黃花蒿中進(jìn)行提取，由于植物中青蒿素的含量稀少且青蒿素需求廣泛，從而導(dǎo)致青蒿素供應(yīng)不穩(wěn)定。為了有效解決青蒿素的來源問題，迫切需要建立一種環(huán)境友好、廉價(jià)的青蒿素生產(chǎn)方法。

2004年，美國加州大學(xué)伯克利分校的基斯林（J. D. Keasling）課題組和生物技術(shù)公司Amyris合作開展半合成青蒿素項(xiàng)目。首先，研究人員根據(jù)植物中部分已知的青蒿素合成途徑，設(shè)計(jì)青蒿素如何在微生物中進(jìn)行合成。然后探討青蒿素的合成途徑在不同的微生物底盤細(xì)胞中是否適配。通過在大腸桿菌中異源表達(dá)不同來源的甲羥戊酸途徑以及黃花蒿來源的紫穗槐—4，11—二烯合酶基因，成功合成了紫穗槐—4，11—二烯，產(chǎn)量達(dá)到27克/升，進(jìn)一步將催化紫穗槐—4，11—二烯轉(zhuǎn)化為青蒿酸的植物源P450氧化酶CYP71AV1組裝到大腸桿菌中，最終獲得了能夠生產(chǎn)1克/升青蒿酸的重組大腸桿菌，但仍不能滿足生產(chǎn)的需求。

因此，項(xiàng)目組嘗試改用釀酒酵母來生產(chǎn)青蒿酸。首先，通過對酵母MVA途徑中代謝調(diào)控關(guān)系的調(diào)整、關(guān)鍵酶基因表達(dá)量優(yōu)化、前體物法尼基焦磷酸代謝支路的削弱，結(jié)合氧化酶CYP71AV1的表達(dá)，成功構(gòu)建能夠生產(chǎn)100毫克/升青蒿酸的酵母菌株；然后，研究人員進(jìn)一步通過基因挖掘、體系優(yōu)化等系列措施，最終獲得了能夠生產(chǎn)25克/升青蒿酸的重組酵母菌株及其生產(chǎn)工藝，在此基礎(chǔ)上，研究人員開發(fā)了從青蒿酸到青蒿素的化學(xué)合成方法，整個(gè)轉(zhuǎn)化過程的收率為40%～45%。至此，項(xiàng)目組耗時(shí)10年完成了青蒿素的半合成工藝（微生物合成加化學(xué)合成）[10]。

2013年4月，法國制藥業(yè)巨頭賽諾菲（Sanofi）公司宣布開始應(yīng)用Amyris開發(fā)的青蒿素生產(chǎn)工藝工業(yè)化生產(chǎn)青蒿素。2013年5月，世界衛(wèi)生組織批準(zhǔn)微生物合成的青蒿素作為臨床藥物使用。2014年，賽諾菲公司生產(chǎn)的青蒿素正式上市出售。青蒿素微生物發(fā)酵生產(chǎn)商業(yè)化的成功成為了合成生物技術(shù)的重大應(yīng)用典范。此外，筆者實(shí)驗(yàn)室以FDA認(rèn)證安全的解脂耶氏酵母為底盤細(xì)胞，通過“錦上添花”“移花接木”等方式設(shè)計(jì)合成途徑，構(gòu)建細(xì)胞工廠，實(shí)現(xiàn)了角鯊烯、前列腺素、二十二碳二烯酸以及蟲草素等高附加值產(chǎn)品的綠色生物制造。這些事例證明了合成生物系統(tǒng)在生物產(chǎn)品綠色制造上具有巨大的潛力。

合成生物學(xué)與倫理

合成生物學(xué)對生命現(xiàn)象的探討從認(rèn)知轉(zhuǎn)向合成，研究對象從自然生命轉(zhuǎn)向合成生命，其發(fā)展也非常迅猛，具有廣闊的應(yīng)用前景，也引發(fā)了大量相關(guān)倫理問題與爭論，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

首先，設(shè)計(jì)新生命帶來的倫理困境。人類是否具有構(gòu)造新生命，打破自然約束和超越自然界限的權(quán)力？設(shè)計(jì)新生命的依據(jù)與重構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)是什么？在多元文化交織的時(shí)代背景下，人類應(yīng)該賦予新生命怎樣的道德地位？人工新生命所帶來的影響甚或危害該由誰來負(fù)責(zé)？另外，人的意志和文化將通過新生命的設(shè)計(jì)嵌入生命的進(jìn)化當(dāng)中，不僅將挑戰(zhàn)以生物進(jìn)化自然法則為基礎(chǔ)的生命倫理，還將使人類進(jìn)化的方向和前途面臨更大的不確定性。

其次，合成生物學(xué)涉及的安全風(fēng)險(xiǎn)包括生物安全和生物安保兩個(gè)方面。生物安全主要是指由于合成生物的功能以及進(jìn)化的不確定性，所以導(dǎo)致其研究從設(shè)計(jì)、制備、存儲到運(yùn)輸、應(yīng)用與環(huán)境釋放等各環(huán)節(jié)都存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；生物安保的重點(diǎn)是防止生物制劑和技術(shù)被某些群體濫用。例如，生物劑是檢測、鑒定、預(yù)防和治療等方面的基礎(chǔ)資源，但細(xì)菌、病毒、真菌、毒素等生物劑也可通過生物學(xué)誘導(dǎo)、基因改構(gòu)與合成等技術(shù)被制造成生物武器。