合成生物学的前景展望

合成生物学的前景展望

目录：

前言

科学定义

学科特征

发展现状

前景展望

结语

前言

当今方兴未艾的合成生物学，是一门建立在生物信息学、DNA化学合成技术、遗传学和系统生物学之上的交叉学科。近十年来，该学科在病毒全基因组合成、标准化遗传回路和最小基因组研究中取得了巨大的突破，也展现了其在生物科学应用中扮演的重要角色。本文将通过介绍与分析合成生物学的相关信息展望合成生物学的发展前景。

科学定义

目前合成生物学研究涵盖范围广泛，对其定义的表述不尽相同：合成生物学领域知名的网站（http://syntheticbiology. org）这样描述该领域的主要研究内容：“设计和构建新型生物学部件或系统以及对自然界的已有生物系统进行重新设计，并加以应用。”2010年12月，美国13位知名专家共同完成了一份名为《新的方向》的研究报告，专门探讨合成生物学问题，文中将合成生物学的研究目标定位为：“将标准化的工程技术应用于生物学，以此创造出新型或具有特定功能的生命体或生物系统，以满足无尽的需求。”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。

综合起来，合成生物学可被理解为基于系统生物学的遗传工程从基因片段、人工碱基DNA子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成，类似于现代集成型建筑工程，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域，合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。

学科特征

1.多学科交叉性：

作为一个以多学科为基础的综合性交叉研究领域，对于生物学家，合成生物学打开了一扇探索生命奥秘的大门；工程学家更关注的是该如何将实验流程和各类生物学元件进行模块化、标准化，以及如何有效地控制多个元件的相互协调；而如何将标准化的生物学模块进行数字化、定量化评价，更好地为人造“软件”进行模拟计算从而指导生物系统的构建，则是计算科学在生命科学中应用的突出体现；化学家和药物学家则更愿意将合成生物学看作多种用途的新型工具，用于高效地生产新型燃料和药物。

2.超越传统技术的革新：

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。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开发的时代。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，是逆自然的一个过程。

3.工程化的特点：

①合成生物学项目的实施过程中需要确立应用目标，明确新型生物系统的预期功能，

通过总体规划设计和制定方案。针对生命系统的工程化改造和创造有两种研究模式：一种可以称为从整体到部分，另一种可以称为由细节到全局。

②与制造计算机等工程项目有相似之处，合成生物学研究项目在确立实验方案后，选

定所需的标准化生物学元件或模块，设计技术方案，进而通过实验手段获得新的生

物学系统，最后实现预期功能。

发展现状

合成生物学已逐步进入飞速发展的时代，这里通过合成生物学在几个不同领域里发展的实例来以点带面，看看合成生物学在各个方面的发展现状。

①病毒的合成生物学： 2002年，cello等用寡核苷酸化学合成脊髓灰质炎病毒，合成的病毒sPVl(M)对HeLa细胞、小鼠都有类似于野生型病毒的感染活性。这项工作开创了以已知的全基因组序列为基础，利用寡核苷酸化学合成具有感染活性病毒的先例。紧接着，2003年，Smith等在两星期之内合成了Φx174噬菌体的基因组。2007，年Rockx等也以化学合成的手段，重建了含有不同突变的SARS病毒。

②细菌胶片：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。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。

③标准化遗传回路元件：在基因组测序取得进展的情况下，许多代谢途径与信号传导通路被阐明，为合成生物学打下基础，它将合成某一特定产物所涉及的基因调控、信号转导网络中复杂的通路抽象为各个元件的组合。这些元件包括能以两个诱导物作为开关在两个不同的稳定状态之问切换的套环开关(toggle switch)，能够产生周期性震荡行为的振荡子(oscillator)，以及复杂的细胞通讯(cell—cell—communication)回路。

④合成“最小基因组”研究：最小基因组是指能够维持细胞生命在最适合的环境条件下生存的最少数目的基因。2007年，J Craig Ventor Institute(JCVI)的Lartigue等将Mycoplasma mycoides的基因组DNA整体转移到完全去除DNA的Mycoplasma capricolum 细胞内，实现了基因组移植(genome tmnsplantation)。2008年2月，人工合成的整个生殖道支原体Mycoplasma genitalium 的基因组在《Science》上发表。这是科学界第一次用化学法合成并装配了完整的细菌基因组，也是迄今为止合成装配的最长片段的DNA片段。这项工作具有划时代的意义。

⑤药物合成： 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。2003年，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，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。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——青蒿素的一种更加直接的前体。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