我國(guó)“合成生物學(xué)”急需研究的問(wèn)題

《科學(xué)時(shí)報(bào)》：目前合成生物學(xué)研究面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？

陳國(guó)強(qiáng)：有很多挑戰(zhàn)，最大的挑戰(zhàn)也許是新生命的合成。如何合成出一個(gè)有新特征的生命？對(duì)于工程應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，重要的是合成出一條新的代謝路徑，獲得野生微生物不能合成的產(chǎn)物。為此，要全面了解微生物的調(diào)控機(jī)制。比如說(shuō)，把相關(guān)基因拼到一起（或合成）之后，可能會(huì)合成出一個(gè)微生物的代謝通路，但是它沒(méi)有按照預(yù)期目標(biāo)去大量合成所需要的產(chǎn)物。因?yàn)樵诩?xì)胞里面，有大量基因參與調(diào)控，如果不清楚它的功能，把它精簡(jiǎn)掉之后就會(huì)出問(wèn)題，得不到我們希望的產(chǎn)物?？傊?xì)胞沒(méi)有按照所需要的方向發(fā)展。所以這些調(diào)控的東西影響了我們隨心所欲地設(shè)計(jì)某種生物的企圖。如果知道了所有的調(diào)控的機(jī)制，挑戰(zhàn)就小了許多。不過(guò)，還有另一個(gè)挑戰(zhàn)就是，如果設(shè)計(jì)出來(lái)生物體控制不住怎么辦？

《科學(xué)時(shí)報(bào)》：國(guó)際上對(duì)合成生物學(xué)研究主要集中在哪些方面？

陳國(guó)強(qiáng)：可能最令人矚目的是具有新功能的新生命的合成吧。這主要是滿足人類的好奇心。其他的主要集中在工程和應(yīng)用，第一個(gè)方面就是所謂最小基因組的研究。一般來(lái)說(shuō)，基因組越小，細(xì)胞生長(zhǎng)得越快。原理基本上主要是DNA合成和代謝負(fù)擔(dān)減少了。最小基因組研究就是通過(guò)有目的刪除多余基因，獲得在特定條件下有優(yōu)勢(shì)的簡(jiǎn)化基因組微生物。

其次是合成路徑的研究。在最小基因組研究的基礎(chǔ)上，用各種基因組成的元件拼裝成某種產(chǎn)物的合成代謝路徑。可以是一條利用二氧化碳光合作用合成氫氣的代謝路徑，可以是一條合成紫杉醇的代謝路徑……有無(wú)窮無(wú)盡的可能性，使這個(gè)細(xì)胞在滿足生長(zhǎng)的最低要求后，集中精力去生產(chǎn)需要的產(chǎn)品。

第三，就是模塊化研究。就是把各種功能的基因模塊化，等到需要的時(shí)候就把各個(gè)功能模塊組裝起來(lái)就可以了。像積木玩具一樣，通過(guò)不同的組合，變成房子、汽車、飛機(jī)等不同的東西。

《科學(xué)時(shí)報(bào)》：我國(guó)開展合成生物學(xué)研究，發(fā)展合成生物學(xué)的目的為何？針對(duì)國(guó)家什么樣的重大需求？

陳國(guó)強(qiáng)：我國(guó)是一個(gè)資源消耗大國(guó)，在材料、能源、化工產(chǎn)品的消耗量方面等都居世界第一位，所以，我國(guó)開展合成生物學(xué)的目標(biāo)就應(yīng)該包括解決材料、能源、化工產(chǎn)品的重大需求；因此，發(fā)展合成生物學(xué)的主要目的應(yīng)該包括逐漸減少對(duì)石油的依賴，利用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)如纖維素、非糧淀粉、非糧脂肪酸等為原料生產(chǎn)材料、能源、化工產(chǎn)品等，滿足國(guó)家在材料、能源、化工產(chǎn)品方面的重大需求，避免對(duì)石油的過(guò)渡依賴，發(fā)展一個(gè)逐漸可以與化工過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)的工業(yè)生物產(chǎn)業(yè)。當(dāng)然，合成生物學(xué)的研究也將產(chǎn)生許多研究生命活動(dòng)的重大科學(xué)問(wèn)題。

《科學(xué)時(shí)報(bào)》：不少國(guó)家都發(fā)布了合成生物學(xué)路線圖，我國(guó)也在制定過(guò)程中，您認(rèn)為作為路線圖應(yīng)強(qiáng)調(diào)哪些問(wèn)題？

陳國(guó)強(qiáng)：我認(rèn)為未來(lái)合成生物學(xué)要利用系統(tǒng)生物學(xué)的方法研究微生物——主要是細(xì)菌的工業(yè)應(yīng)用，使微生物最大程度地生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品包括材料、精細(xì)化工產(chǎn)品和生物燃料等。利用合成生物學(xué)的手段構(gòu)建（合成）新的微生物，能夠最優(yōu)地進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵。最終的目的是實(shí)現(xiàn)復(fù)合功能微生物的構(gòu)建。

《科學(xué)時(shí)報(bào)》：您長(zhǎng)期從事PHA材料方面的研究，合成生物學(xué)為這一領(lǐng)域注入哪些新內(nèi)容？會(huì)產(chǎn)生哪些變革？

陳國(guó)強(qiáng)：PHA的合成需要微生物的高速生長(zhǎng)和PHA的大量積累來(lái)實(shí)現(xiàn)，這也是降低PHA生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。所以，如何構(gòu)建最小基因組的微生物來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，是我們實(shí)驗(yàn)室重要的研究方向。通過(guò)基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組以及代謝流量組的全盤研究，尋找與PHA合成關(guān)系不大、同時(shí)對(duì)細(xì)菌生長(zhǎng)不是必要的基因進(jìn)行刪除，獲得能高速生長(zhǎng)和大量積累PHA，同時(shí)從碳源到PHA轉(zhuǎn)化率高的最小基因組微生物。

附 表：

表1 合成生物學(xué)需解決的一些關(guān)鍵問(wèn)題以及其必要性。其中，復(fù)合功能微生物的構(gòu)建是合成生物學(xué)的核心之一

表2 近期和中期合成生物學(xué)研究的一些問(wèn)題，同樣，復(fù)合功能微生物的構(gòu)建是近期和中期合成生物學(xué)研究的核心之一