合成生物学的特征及应用

凌焱，李玉霞，刘刚，陈惠鹏

20 世纪，人们对生命的认识逐步深入，通过以分子生物学为核心的技术方法诠释如遗传、发育、疾病及进化等生命现象，获得了大量关于基因和蛋白质等生命体基本组成元件的结构和功能信息。扎根在这样的知识土壤中，以天然的生物元件为素材，以分子生物学和遗传工程等现代生物技术为支撑平台，在寻求思维和技术创新的需求下，合成生物学（synthetic biology）研究破土而出。

合成生物学是从人们长期以来对生命的了解和认识发展而来的，是科学研究经历积累、酝酿和萌发后水到渠成的结果，体现了对生命科学知识从学习了解到自由运用的转变；体现了对生物系统研究从拆解与还原到拼装与整合的转变；体现了对生命的认识从敬畏和膜拜到剖析和创造的转变。

这是人类认识生命的过程中正在经历的一次重大转变，人们对其关注和期待越来越热切。在不断地追溯中，合成生物学一词最早出现的时间甚至提早到了 1911 年[1]。尽管用语相同，但直到 1974 年，Szybalski[2]认识到分子生物学在遗传研究领域的巨大前景后提出的合成生物学展望，才贴近当前合成生物学的研究范畴。2000 年，首次成功制造出类似电路的人造基因调控网络被认为是这一研究领域正式诞生的标志[3-4]。2010 年，Nature 杂志为合成生物学创设10 年发表专题社论[5]。合成生物学研究已经引起了全世界的广泛重视，成为当今科学研究的前沿领域之一。

1 合成生物学的概念与特征

目前合成生物学研究涵盖范围广泛，对其定义的表述不尽相同：合成生物学领域知名的网站（http://syntheticbiology.org）这样描述该领域的主要研究内容：“设计和构建新型生物学部件或系统以及对自然界的已有生物系统进行重新设计，并加以应用。”2010 年 12 月，美国 13 位知名专家共同完成了一份名为《新的方向》的研究报告，专门探讨合成生物学问题，文中将合成生物学的研究目标定位为：“将标准化的工程技术应用于生物学，以此创造出新型或具有特定功能的生命体或生物系统，以满足无尽的需求。”从上述两种表述中，可以提炼出合成生物学的 3 个重要特征：①基于现有知识和技术进行创新研究；②采用工程化手段；③以应用为目标。

2 合成生物学研究意义重大

合成生物学研究注重生物系统和生物学功能的创新，从而一方面探索生命起源和进化等重大科学问题，另一方面直接面向资源耗竭、环境污染等社会可持续发展的瓶颈问题以更好造福人类。合成生物学具有如此重要研究价值和自由拓展的空间，激起了学者们的热情和创造力，并推动生命科学研究不断攀升，在 2010 年 6 月达到了新的高度。

这就是 Venter 研究小组 2010 年公布的成果：他们将人工合成的长度 1080 kb的丝状支原体基因组移植到山羊支原体的细胞中，创造出了新的非天然丝状支原体细菌细胞，宣告第一个不依赖天然基因模板、人工合成的具有自主复制能力的细菌诞生[6]。这项人造生命体的研究成果引发了国际社会的巨大震动，受到各方高度关注。尽管只是阶段性成果，但这一步的实现，是对生命科学理论的证明，更坚定了学者们的信心，带动了合成生物学的普及推广和深入发展，为深入开展人造生命研究奠定基础。在此基础上，人们还可以制造新型工业微生物，用以解决能源匮乏、环境污染等问题，进而改善人与自然的关系，推动产业升级进入绿色制造时代，创造出无法估量的财富。

3 合成生物学研究具有工程化特征

人造生命研究是一项宏大的探索性工程，不仅工作量巨大，涉及多个研究领域，需要回答众多生命科学中尚未解释清楚的问题，而且生命体的组成复杂与精细也是难以模仿和超越的。面对细菌这样的单细胞生物，即使科学界已经对基因组、转录组和蛋白质组有了长期的研究，掌握了越来越多的生物学“元件”的结构与功能，但仍然没有完全掌握其调控系统的相互关联，缺乏对基因间协同行为的深入认识，还无法实现人为设计完整的调控网络。Venter 等开展的人造细胞研究项目孕育十几载，方取得了重要的阶段性成果，要加速真正意义上的人工合成生命体破茧而出，必须引入工程化的研究手段。

从专家们对合成生物学研究范畴的描述中可以发现，“设计”、“构建”、“系统”、“标准化”等具有典型工程化特点词汇占据了核心地位。将工程化概念引入生命科学研究，不仅仅是要采用精细的技术工艺，更重要的是在学科理念上强调工程学思想，从项目组织到具体实施过程中借鉴工程学的严谨流程，令合成生物学研究实现标准化、模块化和系统化，从而推进人造生命等科研工程快速发展。

3.1 工程化的研究模式

在合成生物学项目的具体实施过程中，需要确立应用目标，明确新型生物系统的预期功能，通过总体规划设计和制定方案。针对生命系统的工程化改造和创造有两种研究模式：一种可以称为从整体到部分（top-down），是通过删减生物系统中的部分元件，来确定构成该系统的基本骨架。这类研究模式的最具代表性的例子，就是通过基因删减来确定细菌生长的必需基因的“最小基因组学”研究[7-9]；另一种可以称为由细节到全局（bottom-up），是采用基本生物学元件，通过逐级拼装、组合，构建相对复杂、具有特定功能的生物系统，实现预期目标。“生物砖”的研发就属于这类模式[10-12]。人造生命体研究，则是两种研究模式的组合，即先通过“top-down”的方式明确生命体的重要组成结构，再采用“bottom-up”的模式实现合成和组装[6,13-14]。

3.2 “硬件”与“软件”缺一不可

合成生物学研究项目在确立实验方案后，选定所需的标准化生物学元件或模块，设计技术方案，进而通过实验手段获得新的生物学系统，最后实现预期功能。这样的实现流程与制造计算机等工程项目具有相似之处。

与计算机系统进行类比，生物系统也可以视作由“硬件”和“软件”两部分组成：DNA、蛋白质等组成生物系统的基本元件可以比作“硬件”，基因组携带的遗传信息以及表达调控信息则相当于“软件”。

经过多年的研究，人们对于生物系统的“硬件”组成已经认识得比较清楚，也有能力实现人造 DNA“硬件”：2002年，Cello 等[15]合成了长度约 7500 kb 的脊髓灰质炎病毒基因组 DNA，并以此获得了具有活性的人工合成病毒；2004年，人工合成 DNA 长度突破 32 kb[16-17]；2008 年，Venter小组从头合成了长度超过了 580 kb 的支原体基因组DNA[14]，到 2010 年则超过了 1000 kb[6]。在合成生物学发展初期，合成基因或基因组 DNA 等“硬件”的技术水平，为合成生物学发展提供了技术保障，成为领域发展的重要标志。尽管 DNA 合成能力还有很大的提高空间，但随着DNA 自动化合成技术逐渐成熟[18]，商品化、规模化制备DNA 越来越常见[19]，DNA 合成能力将不再是关键的技术指标和研究重点。毕竟，DNA 不仅仅是个架子，这条美丽“双螺旋”的真正价值并不是其长度，而在于其承载的有效信息。

赋予 DNA 真正的价值，就是为新的生物系统设计DNA 序列信息并制定运行规则，也就是设计能够控制“硬件”运转的“软件”。如此，才能利用无生命特征的生物学元件创造出具有活性的新型生命体，才符合合成生物学的创造性需要。然而，尽管科学家已经开展了人类及多种生物的基因组测序研究，以及多种组学以及表观遗传学研究，但是对于生物系统遗传信息的解读依然不透彻，对负责调控“硬件”运转的信息流构成还不十分清楚，缺乏编写“软件”的能力。

2010 年报道的人造支原体项目，也仅仅实现了在两种十分相近的支原体间进行基因组移植，并且必须依赖天然细胞的调控网络及基因组天然的遗传信息。可见，仅仅掌握人造“硬件”的技术不能满足合成生物学发展的迫切需求，未来更重要且更艰巨的课题，是认识基因及基因组与细胞内环境匹配的关键因素，摸索控制基因协调、有序表达的规则，进而设计开发人造“软件”，并通过“软件”和“硬件”合理组装，使创造性思维得以体现。

3.3 构建工程化的生物系统依靠多学科技术支撑

如何将“软件”与“硬件”组合构建成完整的生物系统，又是一道技术难关，需要运用工程学、遗传学、化学、微生物学、计算科学等多个领域的技术。与以往的分子生物学和遗传工程相比，今天的合成生物学更多地采用计算机、自动化以及标准化元件的方式进行操作，可以运用更多种类的解决方案，从而更快地推动了自身的发展。

作为一个以多学科为基础的综合性交叉研究领域，在不同学者眼中，合成生物学呈现出不同的侧影：对于生物学家而言，合成生物学打开了一扇探索生命奥秘的大门；工程学家更关注的是该如何将实验流程和各类生物学元件进行模块化、标准化，以及如何有效地控制多个元件的相互协调；而如何将标准化的生物学模块进行数字化、定量化评价，更好地为人造“软件”进行模拟计算，从而指导生物系统的构建，则是计算科学在生命科学中应用的突出体现；化学家和药物学家则更愿意将合成生物学看作多种用途的新型工具，用于高效地生产新型燃料和药物。将这些侧影汇总，就形成了合成生物学强大的技术攻关能力，为合成生物学研究项目的实施提供了有力的保障。

目前，通过设计 DNA 序列合成新型蛋白质已有很多报道[20-23]，为实现蛋白质的新功能开拓了思路；将生物信号进行数字化分析、整理并构建模拟网络的工作正在开展[24-25]；Anderson 和 Zhang 等利用人造的生物模块构建精巧的调控网络，实现了“硬件”和“软件”的初步整合[26-28]。

在这些研究工作的不断推动下，也许未来的某一天，就像今天我们走进中关村看到琳琅满目的各种计算机配件一样，合成生物学大厦里也将分门别类地放置各种生物学配件，并提供相应的安装指南，人们只需要提出自己的应用目标就可以快速获得一套新型的生物系统。

4 合成生物学的研究目标

合成生物学的发展以应用为目标，传承了生命科学领域的知识体系、发展了遗传工程的技术手段、借鉴了工程学的研究模式、用自由的想象丰富了创新的能力，这些准备都是为了实现“科技创造价值；科技造福人类”的理念。求新求变的合成生物学为科学界注入了生机与活力，使学者们的视野更开阔，思维更活跃。新思路、新技术和研究成果如雨后春笋般涌现，合成生物学研究呈现出百花齐放的局面。

4.1 探索生命的奥秘

经过漫长的自然进化，形成了现今我们认识的这个生物世界。不论现有生命模式是否完美，今天的人类都无法重复这一充满偶然事件的过程，抑或重新选择进化道路。但是，当合成生物学武装了人们的好奇心与创造力时，学者们有了更多的思考和尝试, 也许围绕生命奥秘的疑团，将在合成生物学的帮助下被一一解开：Neumann 等[29-30]设计了新的非天然氨基酸并扩展了遗传密码；不同研究小组设计了称作“人工扩展的遗传信息系统”，并创造了新型核苷酸[31-32]；Lee 等[33-34]创造了 xDNA 和 yDNA，从而改变了 DNA 双螺旋的结构和特点；2008 年，通过长期从事细胞膜结构的研究，创造出能自行组装的人工模拟细胞膜结构[35-36]；2009年的诺贝尔奖获得者 Szostak 率领研究小组[37]构建了原细胞（protocell）模型，并探索了这些地球最初的细胞如何与环境进行物质交换；哈佛大学的 Forster 和 Church[38]开展了多项合成生物学研究，包括合成最小细胞以及从头合成具有生物学功能的人造核糖体（未报道）；为了研究改造后的基因组在新细胞中的特征及功能，Endy 等[39]对 T7 噬菌体的基因组进行了重新设计，并用其取代了野生型的基因组；Lartigue 等[40]在两种支原体间实现了基因组移植和取代，在此基础上，Gibson 等[6]利用从头合成的基因组获得了人造支原体细胞。

合成生物学研究在生命科学领域的探索推动了人造生命体研究的快速发展，也为能源、环境、医药卫生等生物技术产业的发展打开了一扇新的大门。

4.2 制备清洁能源

目前，全球都面临着资源短缺和环境污染的双重压力，应用合成生物学技术可以从可再生资源中制备清洁能源，从而减少对于化石燃料的依赖，减少有害物排放，进而缓解由石油资源触发的一系列政治和经济问题。

应用合成生物学技术改造的“超级”酵母或细菌通过对生物质进行能量转化[41]，可以将林业、农业及生活的废料、废水转化为新型的生物能源[42]，并通过提高生物能转化的速度和效率向规模化应用发展[43]。建立、健全以合成生物学技术为基础的可持续发展的生物工业体系，将是缓和能源、环保等领域所面临严峻形势的解决途径之一，并将创造新的经济增长点。

4.2.1 生物醇类替代能源 美国 Amyris 公司正在应用合成生物学技术平台，利用酵母制备纤维素乙醇。而生物丁醇产物经过简单纯化甚至可以直接用于传统的汽油发动机，BP 公司与 DuPont 公司、美国能源部下属的 Joint Bioenergy 研究所、美国的 Gevo 以及 LS9 公司都在通过改造细菌研制生物丁醇。Atsumi 等[44]研制的大肠杆菌更适用于工业化生产生物丁醇。

4.2.2 藻类替代能源 通过合成生物学手段制造生物能源的另一个渠道，是利用能够进行光合作用的藻类[45]，并且藻类产生的生物石油的物理和化学性质与当前广泛应用的石油来源的燃料十分接近[46]。美国 Aurora Algae 公司已经具备工业化制藻的能力并不断扩大规模。美国 Synthetic Genomics 利用合成生物学技术改造的藻类细胞持续分泌“生物石油”，在 2009 年与 ExxonMobil 公司达成了总值6 亿美元的合作协议，有望在不久的将来实现大规模的工业化生产。美国海军已经采用了美国 Solazyme 公司输送的藻类来源燃料。更进一步，美国大陆航空公司（Continental Airlines Inc.）采用海藻提取物作为部分燃料，已于 2009 年实现首次商业飞行。

4.2.3 生物制氢 氢是非常理想的燃料。生物制氢是合成生物学工业化应用的又一重要研究项目。采用改造的细菌和藻类实现生物制氢的方案正在研发中[47]。目前最有前景的研究方案是采用合成的酶解通路，通过降解淀粉和水实现高效制氢[27]。此方案不仅仅可以制备氢燃料，将糖类物质视为氢的载体还缓解了存储困难的问题。

4.3 环境治理

学者们正在积极努力地改进和运用人造微生物的特殊能力，期望能更有效地发挥其功能，从而解决现在及未来可能出现的问题。例如：利用 DNA 传感器监测食物腐败情况及土壤的养分含量[48]；采用人造微生物分泌的生物表面活性剂清除土壤和水体中的污染物，实现可控的生物修复[49]。

2010 年美国墨西哥湾及其他地区的原油泄露事故，对自然环境造成了恶劣影响。应用合成生物学改造的微生物将能够更有效地控制污染，并保护生态环境[50]。此外，合成生物学技术也已经用于有毒化工产品的生物降解，包括处理工业生产中常用的冷却剂、溶剂、爆炸物以及石油、煤炭及焦油的燃烧残渣等[51-52]。

4.4 合成生物学为公众健康服务

4.4.1 药物研发 通过改造生命体的代谢通路来认识和控制生产药物的代谢过程，早已得到广泛应用，采用工程化细菌和细胞生产胰岛素、疫苗等临床药物已有超过 30 年的历史。与此相比，虽然合成生物学对于药物研发的推动作用还处在初期，但其能够更高效地筛选新药，实现源头创新以及优化制备工艺、降低生产成本等优势正在逐渐显现。

生物合成次级代谢产物是极具应用价值的研究之一，可以为药物研发提供丰富资源。Keasling[53]重新设计了生产青蒿素的代谢途径并提高了产能，令抗疟药的研究成果广为人知，在制药业巨头赛诺菲-安万特公司的积极运作下，这一采用合成生物学技术路线研制的药物有望于 2012 年上市，其低廉的价格和稳定的供应将令无数患者受益。Cheng 等[54]构建了体外多酶全合成途径，在两个小时内合成出天然抗生素-肠道菌素，大大减少了药物的生产环节并缩短了制备周期。此外，合成生物学技术还可用于构建药物筛选相关的分子及细胞模型。

4.4.2 疫苗研制 合成生物学可提高疫苗研制能力的技术优势，在甲型流感疫苗的制备过程中能够得到突出体现：变异快是流感病毒的重要特点，因此流感疫苗也就具有很强的时效性。采用合成生物学技术可以在获得临床分离株的全部基因信息，而未获得实物病毒株的情况下，通过从头合成，快速得到完全一致的毒株，为疫苗研制提供样本、争取宝贵的时间，还有助于尽早开展对新流行株的传染性与致病性研究，为政府制定防治策略提供信息。此外，合成生物学技术为研制新型、多价疫苗，构建用于疫苗筛选或培养的细胞株等重要环节提供了新方法。

4.4.3 医疗卫生 基因组学、分子生物学研究成果对于疾病预防与治疗具有重要的参考价值，合成生物学则成为了将研究成果付诸实现的手段和工具。例如，针对肿瘤细胞的生长特点，Anderson 等[26]设计出可以根据机体内局部环境的改变（例如低氧环境）触发药物释放或者终止功能的微生物，从而实现靶向杀伤肿瘤细胞。Lu 和 Collins[55]利用改造后具有酶解能力的噬菌体高效清除了生物膜上的细菌，可望用于医疗行业及工业生产的器械消毒及防治家畜疾病。

5 将知识转化为生产力

合成生物学对于生命科学、能源与食品、公众健康、经济健康快速发展乃至国家安全都有着重要影响。英国皇家工程院于 2009 年 5 月发表的《合成生物学》蓝皮书中提出：“合成生物学将注定成为创造国家财富至关重要的因素，……合成生物学对经济的影响将很可能会接近、甚至超过一个世纪前化学合成所起的推动作用”。尽管目前大部分合成生物学的研究成果只是初具规模，但几年内就将有若干应用产品推向市场[56]。根据从事市场情报分析的 Global Industry Analysts 公司预测，到 2015 年，合成生物学的全球市场总值将超过 45 亿美元。

目前，美国主导了这一领域内开展的大多数研究项目。我国的合成生物学研究尚处于萌芽阶段，但在学者们的积极推动下，已经获得了广泛的重视，国内企业也与科研机构联合研发，力争我国赶上新一波的科技与经济浪潮。

6 结语

合成生物学在当代生物科技发展中诞生，正在推动人类社会进入一个新的时代。展望未来，由人类设计的各种微生物或其他人工生命，将广泛应用于医疗、环境治疗，能源生产等领域，高效为人类服务。

在科技发展的道路上，几乎没有一项技术是零风险的。当合成生物学直指创造生命的时候，风险也与利益相伴，人们的期盼与担忧交织。围绕合成生物学带来的生物安全和生命伦理学等问题，已在科学界展开了十余年的热烈讨论，多国政府也对如何维护合成生物学的健康发展和防止其谬用予以高度关注。合成生命的研发需要在谨慎的引导下进行。

新兴的合成生物学在异想天开的憧憬与积极的务实工作中逐步发展，必将加快“把科学技术转化为现实生产力”的进程。这股势不可挡的科技发展浪潮，必将对人类社会产生巨大而深远的影响。

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