合成生物學(xué)研究進(jìn)展

艾瑞婷，于振行

合成生物學(xué)作為一個(gè)新興的前沿學(xué)科，由于其巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值而成為各國(guó)政府爭(zhēng)相搶占的資助領(lǐng)域和各科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，合成生物學(xué)在生物能源、生物醫(yī)藥和生命合成等領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足發(fā)展和重要突破。本文就合成生物學(xué)取得的重大科研進(jìn)展及其國(guó)際、國(guó)內(nèi)發(fā)展形勢(shì)進(jìn)行綜述。

合成生物學(xué)是以工程學(xué)和生物學(xué)為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新為導(dǎo)向迅速發(fā)展起來(lái)的新研究領(lǐng)域。高通量、低成本的基因測(cè)序技術(shù)、DNA 合成技術(shù)及其公司化運(yùn)作，為該領(lǐng)域發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。合成生物技術(shù)通過(guò)多學(xué)科交叉集成，從天然生物系統(tǒng)中獲取各種元件，將其合理組合，形成標(biāo)準(zhǔn)化、可替換、工程化的功能模塊，實(shí)現(xiàn)用現(xiàn)代工程科學(xué)理念構(gòu)建和改造生物系統(tǒng)。合成生物學(xué)一方面探索生命內(nèi)在運(yùn)行模式和進(jìn)化等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，另一方面則直接面向產(chǎn)業(yè)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有生物體的理性目標(biāo)化改造產(chǎn)生直接效益，為解決能源資源耗竭、人類健康、環(huán)境污染等社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題提供直接有效的技術(shù)，并帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和開(kāi)辟新興產(chǎn)業(yè)。

1 當(dāng)前合成生物學(xué)的重點(diǎn)成果

1.1 生物能源方面

2008 年，Liao 領(lǐng)導(dǎo)的研究組從釀酒酵母、乳酸乳球菌及丙酮丁醇梭菌中引入 2-酮酸脫氫酶，從釀酒酵母中引入2-乙醇脫氫酶，通過(guò)基因優(yōu)化和重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大腸桿菌內(nèi)全新的高級(jí)醇合成路徑，研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上[1]。2009年，通過(guò)對(duì)細(xì)長(zhǎng)聚球藍(lán)細(xì)菌的基因工程改造，增加 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的表達(dá)量，并將來(lái)自乳酸乳球菌、枯草芽孢桿菌及大腸桿菌的相關(guān)基因進(jìn)一步導(dǎo)入工程菌，使之利用 CO2和光生產(chǎn)異丁醛，成功實(shí)現(xiàn)利用光來(lái)生產(chǎn)生物能源分子[2]。2010 年，Liao 研究組利用乙酰羧酸合成酶鏈延長(zhǎng)模塊和酮酸脫羧酶，在藍(lán)細(xì)菌 PCC7942 中構(gòu)建了由丙酮酸到異丁醛的合成途徑[3]。合成的異丁醛是平臺(tái)代謝物，可以生成一系列具有重要功能的生物分子。2010 年，美國(guó)LS9 生物技術(shù)公司利用在藍(lán)細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的脂酰 ACP 還原酶和醛脫羰酶以原核生物脂肪酸合成途徑的中間代謝物脂酰 ACP 為底物，合成烷烴類和烯烴類，論文發(fā)表在 2010年《科學(xué)》雜志上[4]。

1.2 藥物合成方面

Keasling 領(lǐng)導(dǎo)的研究組于 2003 年在大腸桿菌中成功構(gòu)建了嶄新的青蒿二烯合成路徑，開(kāi)創(chuàng)了生物合成的嶄新道路，為低成本生產(chǎn)抗瘧疾藥物以服務(wù)于第三世界國(guó)家打下基礎(chǔ)[5]。2006 年，Keasling 研究組又以酵母菌為宿主，通過(guò)對(duì)內(nèi)源的乙酰輔酶 A 到 FPP 途徑的關(guān)鍵基因進(jìn)行上調(diào)或下調(diào)，同時(shí)引入基因優(yōu)化過(guò)的外源模塊，使青蒿二烯產(chǎn)量提高了 500 倍，達(dá)到了 153 mg/L[6]；2010 年，Stephanopoulos領(lǐng)導(dǎo)的研究組成功地在大腸桿菌中合成了抗癌藥物紫杉醇的前體物紫杉二烯[7]。他們將大腸桿菌自身生成異戊烯焦磷酸的途徑做作為上游模塊，將異源的萜類化合物形成途徑作為下游模塊，通過(guò)微調(diào)上下游模塊之間的表達(dá)量，使紫杉二烯的產(chǎn)量達(dá)到 1000 mg/L，與原來(lái)的菌株相比，產(chǎn)量提高了15 000 倍。

1.3 合成生命方面

Craig Venter 是基因組合成的代表人物。2003 年，設(shè)計(jì)了在兩周內(nèi)即可合成基因組的流程，并第一次合成了含有5386 對(duì)堿基的噬菌體 phiX174 的基因組[8]；2007 年，將蕈狀支原體（M.mycoides）的天然基因組成功轉(zhuǎn)移到親緣關(guān)系較近的山羊支原體（M.capricolum）中[9]；2010 年又實(shí)現(xiàn)了將人工化學(xué)合成的 M.mycoides 基因組轉(zhuǎn)入 M.capricolum細(xì)胞中并獲得有活性的菌株，新細(xì)菌在生長(zhǎng) 30 輪后，原有細(xì)胞的蛋白體系被新基因組表達(dá)的蛋白完全替換[10]。這是生物領(lǐng)域的一次很大的進(jìn)步，首次實(shí)現(xiàn)了人工合成活性全基因組。

合成生物技術(shù)在其他領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，如 2009 年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的 Voigt 研究組，利用生物信息學(xué)方法、合成宏基因組方法，化學(xué)合成可表達(dá)出最高活性 MHT 的基因，構(gòu)建了鹵代甲烷產(chǎn)率很高的釀酒酵母工程菌[11]。麻省理工學(xué)院（MIT）化工系 Prather 研究組，設(shè)計(jì)優(yōu)化了一條葡糖二酸代謝途徑，使 D-葡糖二酸的濃度提高約 5 倍[12]。

2 西方國(guó)家對(duì)合成生物學(xué)的支持情況

近年來(lái)，美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入巨資建立研究機(jī)構(gòu)和開(kāi)展研究項(xiàng)目，以搶占合成生物學(xué)研究發(fā)展的先機(jī)。2001 年，美國(guó)能源部啟動(dòng)了主要針對(duì)重要模式微生物的Genome To Life（GTL）研究計(jì)劃，將系統(tǒng)生物學(xué)研究和精確的、低成本的基因合成以及合成基因組的構(gòu)建提上日程。美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金于 2006 年投入 2000 萬(wàn)美元資助建立合成生物學(xué)工程研究中心（synthetic biology engineering research center，SynBERC），由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)舊金山分校等共同組建。美國(guó)生物經(jīng)濟(jì)研究會(huì)于 2007 年發(fā)表了《基因組合成和設(shè)計(jì)之未來(lái)——對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)的影響》的研究報(bào)告，分析了合成生物學(xué)及基因組工程支撐技術(shù)的迅速發(fā)展，認(rèn)為合成生物學(xué)將在化學(xué)品生產(chǎn)、能源、疫苗及醫(yī)藥等方面有極為重要的應(yīng)用前景，具有重大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)意義。威爾遜中心的分析表明，自 2005 年美國(guó)政府對(duì)合成生物學(xué)相關(guān)研究已投入 4.3 億美元。不僅美國(guó)投巨資資助合成生物學(xué)的發(fā)展，歐洲各國(guó)也高度重視合成生物學(xué)的研究。2005 年歐盟在第 6 個(gè)研究框架規(guī)劃中發(fā)表了《合成生物學(xué)——將工程應(yīng)用于生物學(xué)》的項(xiàng)目報(bào)告。該報(bào)告給出了合成生物學(xué)清楚的定義及范圍；展望了合成生物學(xué)未來(lái) 10 ～ 15 年在生物醫(yī)藥、環(huán)境與能源等領(lǐng)域的前景。歐盟 2007 年啟動(dòng)了《合成生物學(xué)——新出現(xiàn)的科學(xué)技術(shù)》引導(dǎo)項(xiàng)目共 18 項(xiàng)。2008 年英國(guó)生物技術(shù)與生物科學(xué)研究理事會(huì)將合成生物學(xué)列為優(yōu)先資助的研究領(lǐng)域。英國(guó)皇家工程院于 2009 年 5 月發(fā)表了《合成生物學(xué)》藍(lán)皮書，不但系統(tǒng)闡明了合成生物學(xué)研究范圍、應(yīng)用前景及其社會(huì)影響，而且明確提出英國(guó)要在不久的將來(lái)保持和提高在該領(lǐng)域的絕對(duì)國(guó)際領(lǐng)先地位。英國(guó)工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)、帝國(guó)理工學(xué)院和倫敦政治經(jīng)濟(jì)學(xué)院于 2008 年投入800 萬(wàn)英鎊共同建立了英國(guó)合成生物學(xué)與創(chuàng)新研究中心。德國(guó)馬普學(xué)會(huì)也成立了合成生物學(xué)研究所。自 2005 年起歐盟及荷蘭、英國(guó)、德國(guó)已在此領(lǐng)域投入約 1.6 億美元研究資金。丹麥政府也將在 2009 – 2013 年的五年計(jì)劃中投入1 億 2 千萬(wàn)丹麥克朗，用于開(kāi)展合成生物學(xué)研究。

3 中國(guó)對(duì)合成生物學(xué)的支持情況

合成生物學(xué)在國(guó)際上的迅速發(fā)展引起我國(guó)科學(xué)界的高度重視。天津大學(xué)于 2007 年主辦了兩次合成生物學(xué)研討會(huì)，邀請(qǐng) iGEM 大賽創(chuàng)始人之一 Drew Endy 教授和合成生物學(xué)專家 Christina Smolke 參加并授課，這是國(guó)內(nèi)首次舉辦關(guān)于合成生物學(xué)的學(xué)習(xí)研討會(huì)。2008 年和 2009 年分別在北京和上海召開(kāi)了以合成生物學(xué)為主題的香山科學(xué)會(huì)議和東方科技論壇。多位中科院、工程院院士及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙恢抡J(rèn)為在我國(guó)開(kāi)展合成生物學(xué)研究，搶占學(xué)科發(fā)展的制高點(diǎn)刻不容緩。2007 年 11 月，天津大學(xué)和英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)聯(lián)合成立了愛(ài)丁堡大學(xué)-天津大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物學(xué)研究中心。中國(guó)科學(xué)院于 2008 年 12 月成立了合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2010 年 8 月，正式成立了合成與系統(tǒng)生物學(xué)研究中心。2010 年 6 月，天津大學(xué)邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜壹罢芾砣藛T參加求實(shí)論壇，討論合成生物學(xué)最新研究進(jìn)展。

我國(guó)政府部門也高度重視合成生物學(xué)的重要性及重大發(fā)展?jié)摿Γ?010 年科技部將合成生物學(xué)列入了“蛋白質(zhì)研究”重大科學(xué)研究計(jì)劃。2011 年，我國(guó)啟動(dòng)的“十二五”計(jì)劃、“863”計(jì)劃和“973”計(jì)劃重大科學(xué)問(wèn)題導(dǎo)向項(xiàng)目都將合成生物學(xué)列為重點(diǎn)研究方向。“973”計(jì)劃支持的第一個(gè)關(guān)于合成生物學(xué)研究的項(xiàng)目是“人工合成細(xì)胞工廠”，該項(xiàng)目主要研究微生物細(xì)胞的代謝網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算和設(shè)計(jì)目標(biāo)化學(xué)品可能的生物合成路線，發(fā)掘、合成目標(biāo)化學(xué)品合成的相關(guān)DNA 元件，進(jìn)行元件的功能鑒定、性能優(yōu)化，合成具有調(diào)控功能的分子模塊，組裝目標(biāo)產(chǎn)品合成的人工代謝途徑，優(yōu)化 DNA 元件、分子模塊和宿主細(xì)胞的互作關(guān)系，提高人工細(xì)胞的環(huán)境適應(yīng)能力，進(jìn)化人工細(xì)胞的化學(xué)品合成效率，形成具有高效合成能力的人工細(xì)胞工廠。2011 年，“973”計(jì)劃支持了另外兩個(gè)關(guān)于合成生物學(xué)研究的項(xiàng)目。一個(gè)是“新功能人造生物器件的構(gòu)建與集成”，該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是建立 DNA 高效合成拼接技術(shù)體系，建立生物元件合成與表征、模塊設(shè)計(jì)與集成組裝以及調(diào)試等工程平臺(tái)，建立代謝和調(diào)控功能明確的標(biāo)準(zhǔn)化元件庫(kù)和通用庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，探索萜類和聚酮類等重要天然產(chǎn)物的新生物合成路線。另一個(gè)是“微生物藥物創(chuàng)新與優(yōu)產(chǎn)的人工合成體系”，該項(xiàng)目希望能通過(guò)解決微生物藥物合成體系的合成與調(diào)控、元件及模塊組裝、底盤細(xì)胞與系統(tǒng)優(yōu)化等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)藥物生物合成的定向性和高效性。

“863”計(jì)劃也正在組織關(guān)于合成生物技術(shù)研究的項(xiàng)目，解決合成生物技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的突破，提高中國(guó)在生物能源、藥物研究與生產(chǎn)等領(lǐng)域的綜合能力。

4 合成生物學(xué)與生物安全和倫理道德

合成生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展引起了社會(huì)各界對(duì)其在生物安全和倫理道德方面的關(guān)注。隨著合成生物技術(shù)的不斷成熟，它是否會(huì)引起像轉(zhuǎn)基因技術(shù)，干細(xì)胞技術(shù)一樣的爭(zhēng)議和恐慌？另外，恐怖分子會(huì)不會(huì)利用合成生物學(xué)技術(shù)制造生物武器威脅社會(huì)？毋庸置疑，合成生物技術(shù)帶來(lái)的社會(huì)效益和風(fēng)險(xiǎn)是并存的，所以在發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，要盡快制定相關(guān)法規(guī)和制度，加強(qiáng)核心技術(shù)專利權(quán)的保護(hù)，保證并促進(jìn)合成生物學(xué)技術(shù)健康、快速地發(fā)展。

5 展望

國(guó)際人類基因組計(jì)劃完成后，人類對(duì)改造天然產(chǎn)物和創(chuàng)造新生命的強(qiáng)烈愿望使得合成生物學(xué)逐漸為大家所認(rèn)識(shí)并得到重視。經(jīng)過(guò)大約 10 年的發(fā)展，到 2011 年，合成生物學(xué)已經(jīng)取得一個(gè)又一個(gè)重要突破?！犊茖W(xué)》、《自然》雜志都將合成生物學(xué)評(píng)為 2010 年度重大科學(xué)事件之一，《科學(xué)美國(guó)人》、《時(shí)代》周刊、《國(guó)際財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)》、《科技日?qǐng)?bào)》等報(bào)刊也都對(duì)合成生物學(xué)對(duì)科學(xué)發(fā)展的重大影響給予肯定。

隨著合成生物學(xué)研究和相關(guān)生物技術(shù)的快速進(jìn)展，將會(huì)有越來(lái)越多的合成生物學(xué)零件和模塊得到表征及標(biāo)準(zhǔn)化；更加復(fù)雜精細(xì)的合成基因線路會(huì)在原核生物及真核生物中得以應(yīng)用；像 JCVI-syn1.0 一樣的“合成細(xì)胞”將進(jìn)一步發(fā)展。在應(yīng)用方面，合成生物技術(shù)將對(duì)生物能源、植物源藥物、環(huán)境保護(hù)等戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生強(qiáng)有力的推進(jìn)作用，為微生物藥物產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化升級(jí)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐，成為生物技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)重要的前沿方向。

[1] Atsumi S, Hanai T, Liao JC. Non-fermentative pathways for synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels. Nature, 2008,451(7174):86-89.

[2] Atsumi S, Higashide W, Liao JC. Direct photosynthetic recycling of carbon dioxide to isobutyraldehyde. Nat Biotechnol, 2009, 27(12):1177-1180.

[3] Li H, Cann AF, Liao JC. Biofuels: biomolecular engineering fundamentals and advances. Annu Rev Chem Biomol Eng, 2010,1:19-36.

[4] Schirmer A, Rude MA, Li X, et al. Microbial biosynthesis of alkanes.Science, 2010, 329(5991):559-562.

[5] Martin VJ, Pitera DJ, Withers ST, et al. Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids. Nat Biotechnol, 2003, 21(7):796-802.

[6] Ro DK, Paradise EM, Ouellet M, et al. Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast. Nature, 2006,440(7086):940-943.

[7] Ajikumar PK, Xiao WH, Tyo KE, et al. Isoprenoid pathway optimization for taxol precursor overproduction in Escherichia coli.Science, 2010, 330(6000):70-74.

[8] Smith HO, Hutchison CA 3rd, Pfannkoch C, et al. Generating a synthetic genome by whole-genome assembly: phiX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. Proc Natl Acad Sci U S A, 2003,100(26):15440-15445.

[9] Lartigue C, Glass JI, Alperovich N, et al. Genome transplantation in bacteria: changing one species to another. Science, 2007, 317(5838):632-638.

[10] Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science, 2010,329(5987):52-56.

[11] Bayer TS, Widmaier DM, Temme K, et al. Synthesis of methyl halides from biomass using engineered microbes. J Am Chem Soc, 2009,131(18):6508-6515.

[12] Moon TS, Dueber JE, Shiue E, et al. Use of modular, synthetic scaffolds for improved production of glucaric acid in engineered E.coli. Metab Eng, 2010, 12(3):298-305.