合成生物學(xué)研究的新進(jìn)展

奇云

摘要：合成生物學(xué)是近年迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，因其具有重要的研究意義和巨大的應(yīng)用開發(fā)潛力而備受關(guān)注。本文對合成生物學(xué)的國內(nèi)外研究概況、發(fā)展方向、應(yīng)用前景及其存在的安全、倫理問題進(jìn)行了概述，并展望合成生物學(xué)將給人類社會帶來的巨大變化。

關(guān)鍵詞：基因；基因組；合成生物學(xué)；應(yīng)用

一、后基因組時代生命科學(xué)研究的新領(lǐng)域

合成生物學(xué)（Synthetic biology）是一門建立在系統(tǒng)生物學(xué)、生物信息學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)之上，并以基因組技術(shù)為核心的現(xiàn)代生物科學(xué)。它是用有機化學(xué)及生物化學(xué)的合成能力去設(shè)計非天然的、合成的分子，進(jìn)而使這些分子在生命系統(tǒng)中有活性功能。與傳統(tǒng)生物學(xué)通過解剖生命體以研究其內(nèi)在構(gòu)造不同，合成生物學(xué)是設(shè)計自然界中原本不存在的生物或?qū)ΜF(xiàn)有生物進(jìn)行改造，將工程學(xué)的思想用于生物學(xué)研究當(dāng)中。合成生物學(xué)的最終目標(biāo)是重塑生命。簡單地說,合成生物學(xué)旨在以人工手段制造出生物系統(tǒng)。其涵蓋的研究內(nèi)容可以大體分為3個層次:一是利用已知功能的天然生物模體或模塊構(gòu)建成的新型調(diào)控網(wǎng)絡(luò)并表現(xiàn)出新功能;二是采用從頭合成的方法人工合成基因組DNA并重構(gòu)生命體;第三個層次則是在前兩個研究領(lǐng)域得到充分發(fā)展之后,創(chuàng)建完整的全新生物系統(tǒng)乃至人工生命體[1]。

雖然“合成生物學(xué)”一詞1911年就在著名科學(xué)刊物《科學(xué)》（Science）和《柳葉刀》（The Lancet）等雜志上出現(xiàn)過，但許多學(xué)者認(rèn)為，合成生物學(xué)成為一門真正的學(xué)科始于2000年。比起當(dāng)前的轉(zhuǎn)基因、基因工程等技術(shù)，合成生物學(xué)的研究更前衛(wèi)，代表了下一代生物技術(shù)。

進(jìn)入后基因組時代以后，集成系統(tǒng)生物學(xué)思想的合成生物學(xué)應(yīng)運而生，它綜合了生物化學(xué)、生物物理和生物信息等技術(shù)，利用基因和基因組的基本要素及其組合，設(shè)計、改造、重構(gòu)或是創(chuàng)造生物分子、生物體部件、生物反應(yīng)系統(tǒng)、代謝途徑與網(wǎng)絡(luò)乃至具有生命活力的生物個體。

雖然合成生物學(xué)的基礎(chǔ)就是以基因組技術(shù)為核心的生物技術(shù)，類似傳統(tǒng)生物技術(shù)的工程化；但是，它并不局限于傳統(tǒng)生物技術(shù)那種對基因理性組合的模擬，而是一種能從頭合成復(fù)雜生命的可驗證技術(shù)。合成生物學(xué)與目前基因工程和生物技術(shù)方法的關(guān)鍵區(qū)別，就是其將工程設(shè)計和開發(fā)的方法應(yīng)用于生物技術(shù)。這種方法的實質(zhì)就是為了設(shè)計出滿足某些特性的產(chǎn)品，對每一個部件、裝置或系統(tǒng)的特性進(jìn)行規(guī)范。在構(gòu)建過程中，系統(tǒng)常常是利用標(biāo)準(zhǔn)的裝置建造的，而這些裝置則是由標(biāo)準(zhǔn)的部件制造的。標(biāo)準(zhǔn)的部件和裝置具有復(fù)雜系統(tǒng)建造所需的全部特征。因此，合成生物學(xué)含有三個基本要素：第一是采用從自然界分割出來的標(biāo)準(zhǔn)的生物學(xué)元件，可被修飾、重組乃至創(chuàng)造的元件。第二，是依據(jù)基因組和系統(tǒng)生物學(xué)的知識進(jìn)行理性的重組、設(shè)計。第三，是采用現(xiàn)代生物技術(shù)和相關(guān)物理、化學(xué)技術(shù)，人工建造優(yōu)化的生物系統(tǒng)，乃至獲得新的生命（生物體）。合成生物學(xué)的發(fā)展主要涉及4個重要技術(shù)：首先是測序。有了測序技術(shù)的發(fā)展，了解了原有系統(tǒng)才能更好地設(shè)計新的系統(tǒng)。第二步就是計算機模擬建模。了解了整個生命系統(tǒng)的構(gòu)成，對生命系統(tǒng)有一個系統(tǒng)認(rèn)識后，通過計算機模擬建模分析，編制科學(xué)家想要實現(xiàn)的新的生命體系。第三步就是從無到有獲得新的基因。最后是通過移植技術(shù)獲得新的生命細(xì)胞。合成生物學(xué)既是多學(xué)科的交叉綜合，又是充滿挑戰(zhàn)和機遇的創(chuàng)新研究[2-3]。

二、合成生物學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展前景

合成生物學(xué)目前的發(fā)展態(tài)勢與計算機產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期有許多相似之處，未來的影響可能會與計算機曾給人類社會帶來的影響相仿。由于仍處于發(fā)展早期，合成生物學(xué)的未來具體應(yīng)用領(lǐng)域尚難準(zhǔn)確預(yù)料。時下較為普遍的看法是，它在以下幾個領(lǐng)域大有用武之地[4]。

（一）生物能源

進(jìn)行細(xì)胞工程，將糖、淀粉質(zhì)、纖維素（農(nóng)業(yè)廢物）及二氧化碳中的碳，轉(zhuǎn)化為具效益的產(chǎn)物，包括交通工具所需燃料。利用可再生原料進(jìn)行碳中和化合作用，有助減少溫室氣體的排放。隨著技術(shù)發(fā)展及與燃料電池的集成，該技術(shù)也有望解決與氫氣的儲存、銷售相關(guān)難題，因而在汽車領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。

（二）綠色制造

傳統(tǒng)塑膠及紡織制造業(yè)牽涉的制作過程，往往需用上高溫和有害溶劑，更會產(chǎn)生污染物。就上述步驟進(jìn)行細(xì)胞工程將可以引伸出一系列程序，其中一些更可以在室溫的環(huán)境下進(jìn)行，最后不會產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品。

（三）農(nóng)業(yè)

現(xiàn)時，合成生物學(xué)獲應(yīng)用于植物工程學(xué)，將有助科學(xué)家設(shè)計一系列能帶來更豐碩收成、具抗病能力，及能抵抗極端或惡劣環(huán)境的農(nóng)作植物品種。

（四）制藥業(yè)

可重新改造細(xì)菌及酵母，達(dá)致低成本制藥的目的，包括那些用傳統(tǒng)化學(xué)無法制造出來的或今天價格奇貴的藥品。例如采用經(jīng)基因重組的細(xì)菌生產(chǎn)抗瘧疾及降膽固醇藥物。上述過程將有效大幅降低生產(chǎn)成本，從而將藥物推廣于發(fā)展中國家的龐大市場。

（五）醫(yī)療

重整人類細(xì)胞，與人體組織及器官作更佳結(jié)合；而細(xì)菌及人類免疫細(xì)胞則可獲轉(zhuǎn)用于發(fā)展多項針對不健全細(xì)胞及組織的療法，有助對抗癌病及一些遺傳病。

當(dāng)前，合成生物學(xué)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)初現(xiàn)端倪。2010年7月，美國的《研究與市場》預(yù)計，到2015年合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)市場將超過45億美元。2010年7月，埃克森美孚公司與文特爾的合成基因組公司簽訂了進(jìn)一步合作的協(xié)議，將投入6億美元進(jìn)行微藻生物燃料的研發(fā)。2010年12月，《工業(yè)生物技術(shù)》雜志刊登了排名前10位的風(fēng)險投資支持的生物技術(shù)公司，其中大量的創(chuàng)投資金投資于生物燃料方面的合成生物學(xué)公司。美國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)組織發(fā)表報告介紹合成生物學(xué)目前在化學(xué)品和醫(yī)藥中的應(yīng)用，涉及的產(chǎn)品包括：生物柴油、生物異戊二烯、生物丙烯酸、生物表面活性劑、生物己二酸、生物可降解塑料、西他列?。á蛐吞悄虿∮盟帲┑龋渲卸囗椉夹g(shù)獲得2010年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎。合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究催生了許多研發(fā)性的合成生物學(xué)公司，為合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了很好的技術(shù)平臺，加快了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。目前，所研發(fā)的產(chǎn)品大都完成中試，有的已與大公司合作進(jìn)行工業(yè)化。據(jù)報道，美國兩家企業(yè)已開始使用人工細(xì)菌生產(chǎn)生物燃料，全球制藥巨頭賽諾菲－安萬特公司已經(jīng)獲準(zhǔn)使用合成生物學(xué)改造的啤酒酵母生產(chǎn)青蒿素。

三、合成生物學(xué)的安全、道德與倫理問題

由于合成生物學(xué)旨在改造生命和創(chuàng)造生命，打破了“自然”和“非自然”的界限，就必將在社會上引起有關(guān)倫理道德的困惑與爭論。在合成生物學(xué)發(fā)展的這幾年時間里，在各種科學(xué)刊物及學(xué)術(shù)會議上，有關(guān)合成生物學(xué)與生物安全、倫理道德的話題也是經(jīng)常討論的重要議題[3]。

從生物學(xué)觀點看，生命是區(qū)分活的有機體與無機物的條件。但生物學(xué)意義的生命與社會情境中的生命是不同的。且不說制造高級動物或人的生命，即使制造或變更簡單生命體，會對人類具有社會和文化層面的生命會有什么影響？例如我們制造生命后，會不會肆意對待所有生命，包括人類生命？這是人們關(guān)注的一個問題。這種關(guān)注有時用“不要扮演上帝的角色”的論點提出，認(rèn)為目前所有生命有機體都是“自然”形成（或“上帝”創(chuàng)造）的，都是經(jīng)過千百萬年進(jìn)化而來的，我們?nèi)绻O(shè)法去創(chuàng)造生命，可能會對整個自然界、地球上的所有物種，包括人類在內(nèi)產(chǎn)生始料不及的影響。當(dāng)然，這種觀點雖然不無道理，但難以立足。尊重生命并不意味著我們對地球上任何生命形式都不能利用和改造。

合成微生物與環(huán)境或其他有機體可能產(chǎn)生令人始料不及的相互作用，從而對環(huán)境和公共衛(wèi)生造成風(fēng)險。為了負(fù)責(zé)任地發(fā)展應(yīng)用合成生物學(xué)必須預(yù)防或處理這些風(fēng)險。合成微生物釋放入環(huán)境可能引起基因水平轉(zhuǎn)移和影響生態(tài)平衡，或發(fā)生演變產(chǎn)生異常功能，對環(huán)境和其他有機體產(chǎn)生前所未有的副作用。因此必須解決生物安全問題。

從理論上來說，用合成生物學(xué)可以制造出比目前人類已知的病毒和細(xì)菌更具毒性、更具傳染性、更具耐藥性的新品種，可能會對人類造成許多潛在危害。例如，合成生物體被有意或無意地排放到環(huán)境中后，可能因其具有嶄新的結(jié)構(gòu)而在自然選擇中獲得優(yōu)勢而無限增值，或與其他微生物發(fā)生相互作用造成合成基因污染自然界的基因庫。當(dāng)前，人們最大的擔(dān)憂在于：一旦合成生物學(xué)的方法趨于成熟并予以推廣，生物恐怖主義分子完全有能力制造出致命微生物，例如埃博拉病毒、天花病毒和一些目前人們擁有的藥物均無法消滅的的病毒。

潛在的非物理性傷害是對個體或社會的幸福安康所造成的副面影響，涉及公正、平等、人際關(guān)系、人與自然關(guān)系等，有時難以言說。例如人們對合成生物學(xué)中專利、知識產(chǎn)權(quán)、商品化、重商主義等的爭論，還有我們是否應(yīng)該利用合成生物學(xué)或其他技術(shù)增強人類的性狀和能力。人們比較重視對物理性風(fēng)險或傷害的管理，而不重視對非物理性風(fēng)險或傷害的管理。

合成生物學(xué)就因其利弊相兼而引起廣泛爭議。由美國彼得·哈特研究協(xié)會和伍德羅·威爾遜中心共同進(jìn)行的民意調(diào)查顯示，66％被調(diào)查者認(rèn)為，應(yīng)該推動合成生物學(xué)的研究，但34％的人要求禁止這一學(xué)科，起碼不要在不了解其可能引起的不良后果時從事這方面的研究。在對合成生物學(xué)心存疑慮者中，27％的人擔(dān)心恐怖組織會利用研究成果發(fā)展生物武器；25％的人擔(dān)心合成生物學(xué)產(chǎn)生的人造生命會破壞倫理道德；23％的人擔(dān)心這些研究會對人們健康產(chǎn)生負(fù)面影響；13％的人擔(dān)心環(huán)境會因此受到破壞。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，一半以上的被調(diào)查者希望美國政府制定嚴(yán)格措施，以規(guī)范合成生物學(xué)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]林其誰.合成生物學(xué)[J].生命科學(xué)，2005,17（5）:384-386

[2]McDaniel R, Weiss R. Advances in synthetic biology: on the path from p rototypes to app lications[J]. Curr Op in Biotechnol,2005, 16 (4) : 476 - 483.

[3]奇 云.合成生物學(xué)走向新時代（N）.中國社會科學(xué)報，2011年4月14日第179期12版

[4]奇 云.合成生物學(xué)指引我們向何方？[J].生命世界，2011（5）：16-19