合成生物学的研究进展与应用

朱星华，李 哲

（中国科学技术发展战略研究院，北京 100038）

合成生物学的研究进展与应用

朱星华，李 哲

（中国科学技术发展战略研究院，北京 100038）

本文详细介绍了合成生物学的概念、最新研究进展及其广阔的应用前景。针对合成生物学的技术与经济特性，提出三点建议：大力加强合成生物学的基础研究，建立国家级的合成生物学研究基地；我国合成生物学技术的发展应着眼于战略性新兴产业发展的思维；在生物安全、伦理、知识产权等方面建立必要的法规和制度。

合成生物学；进展；前景；建议

2004年美国麻省理工学院（MIT）《技术评论》曾载文介绍十项方兴未艾的技术，并预测这些技术将给人类生活和工作带来革命性的影响，合成生物学（Synthetic Biology）技术位列榜首。几年的实践表明，这项预测正在成为现实。最新一期的《科学》杂志报道了合成生物学领域的最新成就，美国私立研究所克雷格·文特尔研究所 （J.Craig Venter Institute）的研究人员首次创造了一个完全由人造基因指令控制的人造细胞，预示着生物学可能将进入新纪元。这项研究开创了前所未有的操控生命的方式，使人类具有创造完整生物体的能力。合成生物学技术的发展，将会促使分子工程学和计算机生物学融合，整合成为一门新的生命科学系统。

1 合成生物学的概念

合成生物学作为正式学术名词第一次出现是在1980年，由德国科学家芭芭拉·荷本（Barbara Hobom）用来描述基因工程菌时采用［1］。这些利用重组DNA技术的细菌是由研究人员主动干预而改变的生物系统。从这个意义上来说，合成生物学主要是指用生物工程技术合成目标生物。根据英国皇家学会的定义，合成生物学是指新的人工生物路径、有机体或装置的设计和构建，或者对自然生物系统进行重新设计。合成生物学组织 （Synthetic Biology Community）网站上公布的合成生物学的定义则强调合成生物学的两条技术路线：（1）新的生物零件、组件和系统的设计与建造；（2）对现有的、天然的生物系统的重新设计。从内容上来说，合成生物学与转基因技术存在一定的重叠，但合成生物学要比转基因生物技术更加复杂与宽泛，合成生物学是分子生物学、基因组学、信息技术和工程学交叉融合而产生的一系列新的工具和方法。一般而言，合成生物学的目标是通过自然与合成遗传物质的某些具体组分的组合来设计、研制和制造功能生物体，而其最终目标是完成独立、可自我繁殖、可表现稳定功能的人工生命体。

合成生物学改变了过去的单基因转移技术，开创综合集成的基因链乃至整个基因蓝图设计，并实现人工生物系统的设计与制造［2］。人工基因重组、转基因技术是自然重组、基因转移的模仿；天然药物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生；人工神经元、神经网络、细胞自动机是细胞系统水平的仿生。从分子结构图式、信号传导网络、细胞形态类型到器官组织结构的多基因系统调控研究的系统遗传学，以及纳米生物技术、生物计算、DNA计算机技术和多基因转基因研究的合成生物学，则已经发展到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统（Artificial Bio-system）开发的时代［3］。MIT合成生物学小组负责人德鲁·恩迪（Drew Endy）认为，与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物体系，让它们像电路一样运行。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同的是，合成生物学的研究方向完全是相反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。所谓合成，就是建立各个活的部件，是逆自然世界的一个过程。研究合成生物学的科学家们预言，合成生物学的成功将意味着科学的极大进步。

2 合成生物学的研究进展

自2000年《自然》杂志报道了人工合成基因线路研究成果以来，合成生物学研究在全世界范围引起了广泛的关注与重视，国际上的合成生物学研究发展飞速，在短短几年内就已经设计了多种基因控制模块，包括开关、脉冲发生器、振荡器等，可以有效调节基因表达、蛋白质功能、细胞代谢或细胞间相互作用。2003年，MIT成立了标准生物部件登记处，目前已经收集了大约3200个BioBrick标准化生物学部件，供全世界科学家索取，以便在现有部件的基础上组装具有更复杂功能的生物系统。

2003年，加州大学伯克利分校（UCB）劳伦斯国家实验室创建了世界上第一个合成生物学中心。目前该中心有24个专职科学研究人员和135名辅助人员、访问学者和学生。2006年，美国国家科学基金会（NSF）投入2000万美元资助建立“合成生物学工程研究中心 （Synthetic Biology Engineering Research Center，SynBERC）”，由UCB、哈佛大学、MIT、加州大学旧金山分校等共同组建。如今，类似的研究中心在全美的10所高校已经建立了近20个，主要分布在波士顿和加州地区。2007年美国UCB化学工程系教授、劳伦斯国家实验室合成生物学中心主任凯阿斯林（J.Keasling）在UCB创建了合成生物学系。2007年，欧盟也启动了“合成生物学——新的及刚出现的科 学 技 术 引 导 项 目 （EuropeanCommission projectII）”。第一届 “合成生物学国际研讨会”于2004年在MIT举行，至今已举办了4届。就目前来看，美国在合成生物学领域的研究取得较快的发展并领先于全球，欧洲研究界由于生物伦理问题的激烈讨论则进展比较缓慢［3］。

当前合成生物学的研究主要是设计具有一定功能的基因模块，旨在通过操控微生物，从而找出制造功能生物体甚至能源替代品等更经济有效的新方法，但这些模块没有独立完成其功能的能力，必须借助于宿主细胞来实现。目前已经在功能回路设计、细菌胶卷、药物合成、人工合成基因组等方面取得一些研究进展，具备了一定工程化与产业化的基础［4-5］。

2.1 功能回路的设计

合成生物学早期的设计策略是借鉴天然生物系统和人造的非生物系统，这些研究显示了数学模型在基因电路设计上扮演的重要角色。生物学家力图用生物系统中的基本组件（基因、蛋白质等）合成出具有某些特定生物学功能的回路，并在细菌中成功设计了第一个基因电路——周期振荡器［6］。最近已在酵母和哺乳动物中获得成功。

研究人员试图控制细胞的行为，研制不同的基因线路——即特别设计的、相互影响的基因。蛋白水平的振荡器模块对细胞活动（细胞周期、生理节奏循环等）非常重要。2000年，当时就职于普林斯顿大学的埃洛维茨（M.Elowitz）及其同事设计的环形振荡器能够模仿这些振荡系统的行为，它包括三个转录抑制蛋白，每个抑制蛋白都抑制下一个基因的转录，当某种特殊蛋白质含量发生变化时，细胞能在发光状态和非发光状态之间转换，便形成一个环状回路，起到有机振荡器的作用，从而打开了利用生物分子进行计算的大门。设计过程的重点在于建立系统的基础定量模型，这样就可以确定系统的主要参数和振荡周期。

波士顿大学生物医学工程师科林斯（J.Collins）的研究组在2000年设计了触发器开关功能的基因电路，研制出一种“套环开关”，所选择的细胞功能可随意开关。该回路运用网络拓扑结构使得系统具有双稳态和记忆功能，科林斯小组的基因触发器开关采用的是两个相互抑制的基因，它们分别编码另外一个基因的转录抑制蛋白。多种转录抑制蛋白进行各种组合。就可以形成不同开关。如果外界刺激对抑制作用的强度不同，那么系统就会趋向一种稳定状态，即一个基因被抑制，另一个完全转录。

2.2 细菌胶片

大肠杆菌是与人类共生的最常见细菌，会引起食物中毒和腹泻。光敏色素是结合在植物和一些细菌的细胞膜上的光受体，是一种蛋白质，大肠杆菌中没有这种色素。2005年，美国加州大学的沃伊特（C.Voigt）研究组及其合作者设计了一个能感光的细菌基因回路，利用遗传工程方法将其引人大肠杆菌，使改造的大肠杆菌能够感光，并且在感光后分泌化学物质，这样的大肠杆菌菌落暴露在光照下具有胶片的功能，能产生高清晰度的化学图像。研究者利用蓝藻的植物色素胞外感光模块与大肠杆菌 EnvZOmpR双成分系统的胞内组氨酸激酶信号区构造了一个蛋白嵌合体作为光受体，在黑暗中时磷酸化的OmpR转录因子对目标启动子进行调控，诱导基因LacZ表达，最终生成黑色产物，即输出黑色信号：而暴露在光照下时，则输出白色信号。每一个具有感光及色素合成基因回路的大肠杆菌都可成为照片上的像素点。

这种具有图像处理功能的新型基因线路的创造，证明了在新生的合成生物学中，可以利用的工具及方法的巨大能力及可用性。经编程的光调控原理将能使单个细胞或群体细胞的基因表达可在时间上和空间上进行控制，这在细菌微晶成像、生物复合材料生产及多细胞信号网络的研究中有潜在的应用。

2.3 药物合成

在简单生物，比如大肠杆菌和酿酒酵母中，可以设计代谢途径和模块组成的生物级链来改变正常的细胞代谢，从而产生一些非天然的代谢物或使合成转向人们感兴趣的代谢物。这些代谢物可能是目标物质，也可能是中间体。有关抗疟药物青蒿素微生物工业化合成的研究工作是合成生物学研究的典范之作。

疟疾是人类的宿敌。西方最早发现的抗疟药是奎宁，但因长期使用而使其疗效一降再降。1972年，中国在中药材黄花蒿中提取出了抗疟有效物质青蒿素，但植物提取成本高，无法大规模普及。2002年世界合成生物学领军人物之一、USB的Keasling教授，利用合成生物学技术，开始对微生物进行工程化操作，使得该微生物可以进行合成青蒿素所必须的化学反应，从而达到显著降低生产成本的目的。2003年，实验取得初步成功。通过将来自酵母和来自青蒿的基因转入大肠杆菌，绕过大肠杆菌的一般代谢途径并启动酵母甲羟戊酸途径，研究人员可以诱导大肠杆菌合成青蒿素的前体分子amorphadiene。虽然起初的合成效率很低，但通过基因重组和其他手段，最终大肠杆菌合成amorphadiene的能力提高了百万倍。2004年，Keasling获得比尔和梅琳达·盖茨基金会 （Bill and Melinda Gates Foundation）4260万美元的资助，以进一步开发这种青蒿素微生物合成技术。2005年Keasling实验室把一种特殊的酶植入酵母而把代谢中产生的中间化合物改造成青蒿酸（artemisinic acid）——青蒿素的一种更加直接的前体。对酵母菌的遗传改造经过三个步骤：首先，研究小组在酵母中构建与大肠杆菌中同样的代谢通路，随后将大肠杆菌和青蒿的若干基因导入酵母DNA中，导入的基因与酵母自身基因组相互作用产生amorphadiene。最后，将从青蒿中克隆的酶P450基因在产amorphadiene的酵母菌株中进行表达，从而将amorphadiene转化为青蒿素。至此，可以说通过微生物工业生产青蒿素的技术链条已基本成形，剩下的只是如何进行工业化生产了。如果这一目标实现的话，青蒿素的成本将下降90%。

2008年 ，Keasling实 验 室 创 办 了 Amyris Biotechnologies公司，与世界知名医药企业赛诺菲-安万特（Sanofi-aventis）集团建立新的合作关系，共同致力于大规模、低成本青蒿素生产工艺的开发。Keasling表示，用来进行青蒿素生产的生物合成技术，同样可以用来进行下一代生物柴油的开发。

2.4 人工合成基因组

创造能够表达非天然氨基酸（20种天然氨基酸之外）的细胞是人工合成基因组一个特别的应用。非天然氨基酸掺入蛋白序列是合成生物学设计新蛋白的一个策略。这种策略对天然蛋白质的折叠和功能研究有重要作用。现在已有大约超过30种非天然氨基酸被人工插入到生物体合成的天然蛋白质中。但是现在活体内插入非天然氨基酸的策略受到限制，一种蛋白质中只能插入很少的非天然氨基酸。随着特别基因组序列合成的实现，将会去除20个天然氨基酸的同义密码子现象，只有20个密码子特异性编码20种天然氨基酸，其余的密码子将用来编码非天然氨基酸。如果成功将会实现多种非天然氨基酸的插入，并且对细胞功能没有特别的影响。

2008年，美国诺贝尔医学奖获得者汉密尔顿·史密斯（Hamilton Smith）等人在《科学》上发表了世界上第一个完全由人工化学合成、组装的细菌基因组的文章。2009年8月，他们又成功地将该基因组转入到Mycoplasma genitalium宿主细胞中，获得了具有生存能力的新菌株。该研究使人工合成生命这一合成生物学终极目标取得了历史性突破，为创造可用于生产药物、生物燃料、清理毒性废物等方面的人工基因组奠定了基础。

2010年5月，克雷格·文特尔研究所首次创造了一个完全由人造基因指令控制的人造细胞。据报道，创造这个可复制的试验性单细胞生物花费了4000万美元。对此项成果，科学界评价不一。美国罗格斯大学（Rutgers University）分子生物学家埃布赖特（Richard Ebright）指出，这确实是人与自然关系的一个转折点，历史上第一次有人创造了一个完整的带有预定特性的人造细胞。斯坦福大学生命医学伦理中心主任马格纳（David Magnus）认为，它有可能改变基因工程。Collins则认为，这不代表着一种人造生命形式的诞生，而只是一个带有人造基因组的生物体，而非人造生物体。但多数生物学家还是相信创造这个细胞所使用的实验室技术将很快应用于合成其他具商业价值的菌株。

3 合成生物学广阔的应用前景

尽管合成生物学的商业应用多数还要几年以后才能实现，但现在研究人员已经在利用合成生物体来研制下一代清洁的可再生生物燃料以及某些稀缺的药物，在未来几年有望取得迅速进展。位于麻省的BCC Research市场调研公司的调查显示，2008年全球的合成生物学市场约为2亿3400万美元，基本均等分布在三个领域：能源与化工，生物技术和医药，以及合成生物学的技术研发。调查分析预测，到2013年，全球市场将扩大10倍，即达到24亿美元，并将形成能源与化工领域主导的情况。科学家们普遍认为，合成生物学在很多领域将具有极好的应用前景，这些领域包括更有效的疫苗的生产、新药和改进的药物、以生物学为基础的制造、利用可再生能源生产可持续能源、环境污染的生物治理、可以检测有毒害化学物质的生物传感器等。

3.1 生物医药

随着人们对生命发育、运作程序的逐步探索，生命运作的每个细节都被揭露，整合分子工程学和计算机生物学，运用合成生物学的技术，在药物设计和给药途径的设计上人类将变得越来越有创新性。合成生物学在生物医药领域的研究开发主要有两个方向：一是次生代谢链（如青篙素）与基因网络的人工设计使药物分子或生物材料可规模化生产；二是诱导细胞分化与遗传程序化重编而人工设计细胞功能。

利用合成生物学构建基因功能模块在肿瘤细胞中将药物前体转变为杀死肿瘤细胞的药物是一种有前途的肿瘤化疗方法。这些合成的生物药可能更容易接近肿瘤组织，有选择性地杀死癌细胞。2007年11月《自然·方法》杂志报道，科学家构建了一种乙酰水杨酸控制胞嘧啶脱氨酶合成的功能模块，植入非致病性的肠道沙门氏菌。乙酰水杨酸是最广泛使用的抗炎药物之一。口服乙酰水杨酸和5-氟胞嘧啶药物后由于人体正常细胞没有胞嘧啶脱氨酶，5-氟胞嘧啶对正常细胞没有毒性作用。但在富集带有功能模块的5-氟胞嘧啶肠道沙门氏菌的肿瘤组织中，乙酰水杨酸诱导肠道沙门氏菌中功能模块的胞嘧啶脱氨酶生成，把5-氟胞嘧啶转化为5-氟尿嘧啶药物，杀灭肿瘤细胞。

MIT的计算机工程师维斯（Vis）和加州理工学院化学工程师阿诺尔（Arnol）一起，采用“定向进化”的方法，精细调整研制线路，将基因网络插入细胞内，有选择性地促进细胞生长。维斯（Vis）同时在研究为成年干细胞编程，以促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等，让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。尽管该工作尚处初级阶段，但却是生物学调控领域中重要的进展。

3.2 能源和化工

运用合成生物学还可以制成各种各样的细菌，用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等。利用合成生物学可以生产替代燃料和可再生能源。近年来，能源危机不断升级，将合成生物学应用到能源领域中的想法也顺势而生，Keasling及其同事哈佛大学医学院遗传学及基因组学教授George Church和斯坦福大学植物学教授Chris Somerville通过基因工程方法对大肠杆菌进行改造，让它将单糖生成更复杂的生物燃料（可直接应用的生物燃料）——脂肪酯（fatty esters）、脂肪醇（fatty alcohol）和蜡（waxes）。他们进而又让大肠杆菌来分泌半纤维素酶，它是来自植物的生物质的一个主要成分，可以将纤维素转化为生物燃料［7］。

美国LS9生命科技公司在David Berry博士的带领下，正在设计接近于像来自于石油一样的燃料。他们利用来自多种生物（包括细菌、植物、动物等）的基因及用来生产脂肪酸的生化途径，用合成生物学方法创造出一些代谢模块，插入微生物后，通过不同的组合，这些模块可以诱导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的化学品。他们通过计算，设计制造出微生物以所希望的方式生产并分泌出长度及分子结构符合公司要求的烃分子。与目前的燃料乙醇生产技术相比，由于不需要能耗非常高的乙醇精馏技术，从而可使能耗降低65%。由于采用了合成生物学与系统生物学创造微生物这种尖端技术，这种石油烃是可再生的、清洁的、成本可竞争的、与现有的汽车发动机及汽油供应系统是可兼容的。

3.3 生物反恐

借助合成生物学可以把网络同简单的细胞相结合，提高生物传感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置。德鲁·恩迪（Drew Endy）提出，可制造一种生物机器用来探测化学和生物武器，发出爆炸物警告。维斯（Vis）目前正在研究另外一群称为“规则系统”的基因，使细菌能估计刺激物的距离，并根据距离的改变做出反应。该项研究可用来探测地雷位置：当它们靠近地雷时细菌发绿光，远离地雷时则发红光。

4 结论与建议

4.1 大力加强合成生物学的基础研究，建立国家级的合成生物学研究基地

合成生物学在人类认识生命、揭示生命奥秘、重新设计及改造生物等方面具有重大的科学意义。目前，通过各种合成生物学会议的讨论以及iGEM（国际基因工程机器设计）竞赛的推广，合成生物学已经引起了国际社会的广泛关注。与国外相比，我国在合成生物学方面的研究还处于起步阶段。虽然我国在合成生物学所需的相关支撑技术研究方面并不落后于国际主流水平，如大规模测序、代谢工程技术、微生物学、酶学、生物信息学等方面均有良好的基础。但是，在合成生物学方向的研究还处在零星研究阶段。

我国合成生物学的发展需要若干核心技术的建立与发展，国家级的计划与投入十分重要。应大力发展微生物的跨学科定量研究，实施面向生物医药、生物能源和生物基产品等重要生物产品的合成生物学理论与技术的基础研究，组成多学科合作的研究团队，在学科发展及国际竞争中取得先机。天津大学张春霆院士指出，合成生物学要取得重大突破，需要我们对其载体——微生物有透彻和定量化的了解，为工业微生物的开发提供坚实的科学基础，而这方面的研究正是目前国际国内合成生物学发展最为薄弱的环节之一。

对比国外特别是美国合成生物学的发展过程，我国应整合优势学科资源，从医药、能源和环境等产业重大产品入手，抓住合成生物学的核心科学问题，适时建立国家级的合成生物学研究中心或研究所，引领中国合成生物学的原创研究和自主创新。

4.2 合成生物学技术的发展应着眼于战略型新兴产业发展的思维

利用合成生物学方法和理论，对生命过程或生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，创造解决生物医药、环境能源、生物材料等问题的微生物、细胞和蛋白，对于解决与国计民生相关的重大生物技术问题有着长远的战略意义和现实的策略意义。合成生物学所具备的技术与经济特性表明，它可能会引领巨大的技术变革和产业变迁，需要引起我国政府决策者的高度重视。

从历史的角度出发，合成生物学所带来的生物技术革命的重要性可以与19世纪欧洲发生的工业革命和20世纪在美国发生的信息革命相类比。如同信息技术在电子领域的应用一样，将合成生物学应用于能源领域，将有可能创造新的经济模式，工业经济是依靠化石能源的“化石经济”，如果生物燃料能大范围地取代石油，那么将从根本上改变经济发展模式。

针对我国在能源、环境、健康等方面的需求与挑战，合成生物学技术的发展应着眼于战略型新兴产业发展的思维，大力发展合成生物学的技术平台建设，为可能到来的新的经济模式提前布局。

4.3 在生物安全、伦理、知识产权等方面建立必要的法规和制度

合成生物学这个新兴领域的进一步发展对政府的监管提出了严峻挑战。美国Peter D.Hart研究协会（Peter D.Hart Research Associates）的一项调查表明，应用领域是影响公众对合成生物学态度的决定性因素。尽管知悉其潜在的风险，超过一半的受访者支持合成生物学以发展生物燃料为目标的研究。同时，由于其潜在的风险，三分之二的参与者也支持政府对这一新兴技术的监管。

保障生物安全非常重要的一项因素是源头安全。像其他新技术一样，合成生物学的早期应用引发的安全性问题应予以重视。政府在制定政策时必须做出权衡，一方面是如何收获新产品的利益，另一方面是如何预防对环境和公共健康的潜在危害。合成生物学的研究比当前的转基因技术、基因工程等更加前卫。在转基因生物技术方面，立法者对转基因生物体进行风险评估时，一般是通过将转基因生物体与为人们所熟知的同类的非转基因生物进行比较分析，从而认识增加的遗传物质的功能，即通过将自然存在的物种与转基因物种进行比较，来确保新的有机体像其传统的同类物质同样安全。而先进的合成微生物的复杂性，则给根据遗传序列和结构进行功能预测增加了新的不确定性。现有的风险评估方法无法用来预测复杂的适应系统。此外，尽管许多科学家认为转基因生物体在自然环境中可能无法生存或繁殖，但合成有机体可以发生变异和进化，因此，我们必须早做准备，从大力发展我国合成生物学技术的开始，决策者就应考虑如何对这项新兴的融合技术进行约束，对研究实验设计应有安全性评估，在产品开发的同时也要开展风险研究，要在生物安全、伦理、知识产权等方面建立必要的法规和制度，以保证合成生物学在我国的健康快速发展。

［1］Hobom，B.Gene surgery:on the threshold of synthetic biology［J］.Medizinische Klinik,1980，75（24）:834-841.

［2］Drubin D A，Way J C，Silver P A.Designing biological systems［J］.Genes＆Dev.2007，（21）:242.

［3］Bryn Nelson.Building blocks［J］.Nature,2009，（462）:684-685.

［4］赵学明，王庆昭.合成生物学：学科基础、研究进展与前景展望［J］.前沿科学,2007，（3）:56-66.

［5］张春霆.合成生物学研究的进展［J］.中国科学基金，2009，（2）:65-69.

［6］Shankar Mukherji，Alexander van Oudenaarden.Synthetic biology:understanding biological design from synthetic circuits［J］. Nature Reviews Genetics.2009，（10）：859-871.

［7］Eric J.Steen，Yisheng Kang，Gregory Bokinsky，Zhihao Hu，Andreas Schirmer，etc.Microbial production of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass［J］.Nature,2010，（463）:559-562.

The Research Progress and Future Application of Synthetic Biology

Zhu Xinhua，Li Zhe
（Chinese Academy of Science and Technology for Development,Beijing 100038，China）

This paper introduces the concept of the synthetic biology,recent progress and potential applications.Based on the technology and the economics characteristics of the synthetic biology,the author puts forward three proposals:Strengthening basic research in synthetic biology vigorously and establishing national research base of synthetic biology;Focusing on the strategic development of new industries in synthetic biology of China;Establishing the necessary rules and regulations in the biosecurity, ethics,intellectual property and so on.

synthetic biology;progress;foreground;suggestion

河北省企业科技创新自组织动力机制与生态学培育路径研究（HB10XG L175）。

2010-11-10

朱星华（1977-），男，内蒙古呼和浩特人，管理学硕士，副研究员；研究方向：产业技术政策与科技平台建设管理。

Q-1

A

（责任编辑 迟凤玲）