合成生物学与工业生物技术

合成生物学与工业生物技术

◆杨　琛　姜卫红　杨　晟　赵国屏

中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所,上海200032

收稿日期:200928210 修回日期:200929227联系作者:姜卫红,研究员,whjiang@sibs .ac .cn 。

摘　要　合成生物学是近年来发展起来的新

兴学科,因其具有重要的研究意义和巨大的应用开发潜力而备受关注,发展极为迅速。本文对合成生物学的国内外研究概况、发展方向及其对工业生物技术领域的推动作用进行了概述。

关键词:合成生物学　工业生物技术中图分类号:Q812　文献标识码:A 文章编号:100922412(2009)0520038203

近年来,系统生物学理论与工程生物技术的发展使得合成生物学这一新兴研究领域应运而生,并取得重要进展。合成生物学是在基因组技术为核心的生物技术基础上,以系统生物学思想为指导,综合生物化学、生物物理和生物信息技术,利用基因和基因组的基本要素及其组合,设计、改造、重建或制造生物分子、生物体部件、生物反应系统、代谢途径与过程乃至具有生命活力的细胞和生物个体。合成生物学研究既是生命科学和生物技术在分子生物学和基因工程水平上的自然延伸,又是在系统生物学和基因组综合工程技术层次上的整合性发展。其主要目标,一方面是希望可以根据人类的意愿从头设计,合成新的生命过程或生命体;另一方面,是利用合成生物学的方法,将“综合、整体”的思路真正引入现代工业生物技术和生物医学等领域,通过对现有生物体的有目标的改造,以有助于解决人类发展面临的若干重大挑战,譬如合成新医药材料和新药品、生产生物燃料、清理有毒废物、减少二氧化碳排放等。因此,合成生物学具有重要的研究意义和巨大的应用开发潜力。

一、国内外研究概况

合成生物学首先被应用在天然药物的生物合

成、生物能源和生物基化学品领域,如:美国杜邦公司利用大肠杆菌合成了重要的工业原料1,32丙二醇;L iao 等在大肠杆菌中重构了异丁醇产生途径[1];

2006年,美国加州大学Berkeley 分校的Keasling 实

验室将多个青蒿素生物合成基因导入酵母菌中产生了青蒿酸,并通过对代谢途径(网络)不断改造和优化,使产量实现了若干数量级的提高,具有了工业生产的潜力[2],该重要进展是合成生物学在工业应用中的一个标志性突破。

近年来,利用人工化学合成的手段合成生物遗传物质的研究进展非常迅速。2002年,美国W i m mer 实验室首次化学合成了脊髓灰质炎病毒的c DNA ,并反转录成有感染活性的病毒RNA ,开辟了利用已知基因组序列,不需要天然模板,从化学单体合成感染性病毒的道路[3]。2008年Venter 实验室合成了有

582970个碱基对的生殖道支原体(M ycoplas m a gen i 2ta lium )全基因组

[4]

。为了突出这是人工合成的基因

组,他们在基因组的多处插入了“水印”序列。至此,人工化学合成病毒和细菌基因组均已实现,这为运用合成生物学方法改造、构建新型细菌,以合成目标产物、降解有害物质等方面开辟了新的途径。 目前,美国约有20个实验室从事生命系统设计和合成生物学相关的研究,主要包括开发特殊和通用的标准合成元件、反向工程和重新设计已知的生物部件、发展设计方法和工具以及人工重新合成简单的微生物等。从2004年开始,每年召开合成和系统生物学的会议,促进了交流与合作,推动了这个新兴学科的迅速发展。欧盟国家中的剑桥大学和苏黎世大学的两个实验室也在开展合成生物学研究,目前正积极呼吁更多的实验室参与同美国的竞争。 我国科学工作者自20世纪70年代以来大力推进基因工程、蛋白质工程和代谢工程等技术的发展。近10年,又启动了基因组和生物信息的研究以及系统生物学的研究工作。因此,我们有条件及时进入合成生物学的研究领域,发展合成生物学技术,服务于我国生命科学和社会经济的发展。但是,如上所述,合成生物学并非简单的生物技术或生物工程的

延伸,它需要有集中的、系统的和特色的研究与发展。迄今为止,由于资源分散、理论创新和技术整合不足,我国尚无系统的合成生物学研究,长期以来也缺乏专门从事合成生物学研究的实验室,真正意义上的合成生物学研究基本上尚处于起步阶段。

二、研究方向及应用前景

鉴于合成生物学的研究意义和创新理念,将之与工业生物技术研究的基础问题相结合,一定会产生重要的研究成果。建议将合成生物学研究列入国家科技发展的规划,以发展新兴学科“合成生物学”的理论和方法为主要研究方向,建立合成生物学的关键技术平台,针对我国在能源、环境、健康等方面面临的需求与挑战,聚焦生物能源、医药和绿色化工等有国家重大需求的工业生物体系,在分子和细胞等层次上,实施合成生物学的研究与技术开发。

1.发展合成生物学的基础理论

以系统生物学思想指导合成生物学理论发展。建立生物功能元件的分析与测试技术,包括结构元件和调控元件;鉴定(包括发现和整合)生物体(体系)功能模块、分子元件(组件资源),研究对其发挥作用起决定作用的基因组组分结构及其调控机理(组件调控和被调控的定量信息及机理计算)。研究并进而设计和建造具有生物学功能的元件或反应系统、装置和网络,多元件组成的功能单位及其更高级复杂系统的组装等。尝试利用合成生物学方法,以“综合、整体”的思路,研究现代工业生物技术领域的若干难题。

2.建立合成生物学的基本技术

开发建立合成生物学所需要的核心工程技术,主要包括:

(1)建立微量、高并行和高保真的大片段DNA 设计和合成技术,建立优化核酸编码、生物系统工作元件和生物系统调控元件技术,建立新生物功能元件设计制造技术。

(2)建立从单基因到代谢途径的基因全合成及应用的综合生化技术,包括大片段DNA的合成及在体外和体内的拼接、超级宿主细胞的构建、异源基因的高效可控表达等技术,实现技术整合。

(3)发展体外蛋白质(从简单do main到复杂复合物)的结构和活力检测技术和蛋白质人工改造的工程技术,建立蛋白质体外人工生物合成体系,并建立相关的平行化、高通量技术体系。

(4)构建代谢网络和调控网络的系统检测和分析、设计技术,逐步发展、改造和设计体内构建系统,基于基因组数据库构建跨物种的生物合成路线数据库,建立合成路线设计软件等。

3.以重要产品为目标的合成生物学设计和改造 针对我国在能源、环境、健康等方面面临的需求与挑战(如生物能源、重要代谢产品与生物基产品等),聚焦若干重要的工业生物体系,在分子和细胞等层次上,实施合成生物学的研究与技术开发。

(1)基于合成生物学的重大药物设计———针对重要抗肿瘤新药和生物农药,人工全合成或半合成抗生素的生物合成基因簇,构建超级宿主细胞,实现异源基因的高效、可控表达。

(2)基于合成生物学的能源产品设计———针对重要生物燃料、生物能源产品(如丁醇、氢),以能够利用廉价原料或高耐受性微生物作为生物燃料生产的宿主菌株,导入生物燃料的合成途径,获得能够高效利用木质纤维素热化学裂解产物的生物燃料生产菌株,实现生物燃料的高浓度生产,降低其发酵的生产成本。

(3)基于合成生物学的分子机器设计和合成———综合高能量、高灵敏度的筛选以及比较基因组学、酶学、结构生物学、基因工程和蛋白质工程的理论和技术,引入研究蛋白质与配体相互作用的技术,通过设计、改造和合成获得高催化活性和高稳定性的重要工业用酶(如纤维素酶)。

总之,部署合成生物学研究的举措既面向战略前沿,使我国科技在系统生物学和生物技术研究的国际竞争中掌握主动;又面向我国社会可持续发展所面临的挑战,针对国家重大需求和迫切需要研究的重大课题组织攻关,以保证不断开辟新技术,实现生物产品的重点突破。

致谢

感谢中科院合成生物学重点实验室覃重军、李来庚、周志华、张鹏、张毅、李平作等研究员以及中国科学技术大学施蕴瑜院士、刘海燕和洪炯等老师的修改与建议。

参考文献

[1]A tsum i S,Hanai T,L iao J C.Non2fer mentative pathways for synthe2

sis of branched2chain higher alcohols as bi ofuels.Nature,2008, 451:86—90(下转第37页)