合成生物学的未来展望

合成生物学的未来展望

合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科，近年来合成生物物质的研究进展很快。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，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。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。

传统的生物学是通过解剖来了解生命体以及其内部构造的，而合成生物学恰恰相反，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。重塑生命是合成生物学的核心思想。该学科致力于从零开始建立微生物基因组，从而分解、改变并扩展自然界在35亿年前建立的基因密码。此外，还可以通过人工方式迫使某一细菌合成氨基酸。合成生物学是基因工程中一个刚刚出现的分支学科，它吸引了大批的生物学家和信息工程师致力于此项研究。

一些专家提出应该制造一个配备有生物芯片的细胞机器人，让它在我们的动脉中游荡，检测并消除导致血栓的动脉粥样硬化。还有一些研究人员认为，运用合成生物学还可以制成各种各样的细菌，用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等。恩迪还提出，可制造一种生物机器用来探测化学和生物武器，发出爆炸物警告，甚至可以从太阳中获取能量，用来制造清洁燃料。但是也有一些谨慎的研究人员认为，合成生物学存在某些潜在危险，它会颠覆纳米技术和传统基因工程学的概念。如果合成生物学提出的创建新生命体的设想得以实现，科学家们就必须有效防止这一技术的滥用，防止生物伦理冲突以及一些现在还无法预知的灾难。

合成生物学将催生下一次生物技术革命。目前，科学家们已经不局限于非常辛苦地进行基因剪接，而是开始构建遗传密码，以期利用合成的遗传因子构建新的生物体。合成生物学在未来几年有望取得迅速进展。据估计，合成生物学在很多领域将具有极好的应用前景，这些领域包括更有效的疫苗的生产、新药和改进的药物、以生物学为基础的制造、利用可再生能源生产可持续能源、环境污染的生物治理、可以检测有毒化学物质的生物传感器等。

合生生物学的商业化应用是必然趋势，但多数还要等到几年之后才能实现。即便如此，研究人员已经在利用合成生物体来研制下一代清洁的可再生生物燃料以及某些稀缺的药物。第一代合成微生物是合成生物学的简单应用，它们可能与目前利用DNA重组的微生物类似，其风险评估或许不成问题，因此，对立法者的挑战较少。但随着合成生物学技术不断走向成熟，又可能研制出复杂的有机体，其基因组可能由各种基因序列（包括实验室设计和研制的人工基因序列）重组而成。尽管其风险和风险评估问题与经过基因修饰的生物体引发的问题类似，但对于这类复杂的合成微生物来说，找到上述问题的答案要困难得多。

今后几年，合成生物学将在以下几个方面取得重要进展。

一是更多的合成生物学零件及模块会得到表征及标准化；更复杂、更精细的合成基因线路会在原核生物及真核生物中得以应用。

DNA合成技术是支撑合成生物学发展的重要技术之一，其在基因及调控元件的合成、基因线路和生物合成途径的重新设计组装，以及基因组的人工合成等方面都具有重要的应用。近几年来，DNA合成技术发展很快，成本越来越低。目前,DNA芯片发展有两大趋势:其一是以Affymetrix公司为代表的向高密度基因芯片发展,争取把人类所有基因探针都固定在一块芯片上,其发展将对生物学的基础研究起到革命性的推动,并有可能在将来引发新

的革命;另一种发展是以Nanogen公司为代表的过程集成化趋势,由于在实际临床诊断及军事、司法应用中,大多数情况下并不需要高密度的DNA芯片,而是要求便携式、灵活、速度快和成本低,因此,发展这种高集成、中低密度的DNA芯片可以在近几年进入市场并发挥社会效益。

从细菌到人，所有生物都使用“生物分子开关”（由RNA或蛋白制成、可改变形状的分子）来监测环境。这些“分子开关”的诱人之处在于：它们很小，足以在细胞内“办公”，而且非常有针对性，足以应付非常复杂的环境。美国和意大利的科学家受此启发，首次使用人的DNA（脱氧核糖核酸）分子制造出纳米生物传感器，他们将三种天然DNA序列（每种能识别出不同的转录因子）进行了调整，将其编入分子开关中，当这些DNA序列与其目标结合时，这些分子开关就会变成荧光。科学家们能用这样的纳米传感器，通过简单测量荧光强度来直接确定细胞内转录因子的活动。新传感器能监测转录因子的活动，因此可确保干细胞被正确地重新编程。它也能确定病人癌细胞中的哪个转录因子被激活，哪个被抑制，以便医生对症下药。因为其能直接在生物样本体内工作，因此，它也能用于筛选和测试抑制肿瘤的新药。

随着合成生物学研究的迅猛发展，在基础研究方面，已经可在实验室构建具有可预测特性的遗传线路和模块……在应用方面，可以构建一些新的高效的微生物菌株等。

合成生物学一词最早出现于1911年。随着国际人类基因组计划的完成，21世纪初合成生物学一词开始在学术刊物及互联网上逐渐大量出现。短短几年，合成生物学正以空前的方式，在基础及应用研究、技术方法及产业化等方面取得了很大的进展。

基因线路是合成生物学的重要组成部分，这些研究不仅可更深入地了解生命的构成方式和调控原理，还可设计具有所需功能的基因元件，进而构建合成生物系统。另外，基因线路的研究也是进行生物分子计算的基础。迄今为止，合成生物学家已经构建了具有各种功能的基因线路，主要包括反馈器和开关、逻辑门（logic gate）、基因振荡器、计数器以及通用性的RNA元件等。美国生物学家研究出一种基因线路，可以按照需要编制程序，指示细胞对想要的信号作出响应。这项技术有着广泛用途，比如诱导干细胞分化成体内的不同组织，或在营养不良时激活植物的防御机制等。科学家制造了一段DNA（脱氧核糖核酸）作为基因线路，将其插入细胞转录到RNA（核糖核酸）中后，它会去探寻细胞内部是否存在某种特殊的目标蛋白质，一旦找到，线路就会给这种蛋白质编码。一条线路里有多个适配子感受器，能对不同类型的蛋白质起不同的反应。从理论上，这种线路能包含任何基因，也可以设计适配子来识别任何蛋白质。通过扭转这种线路里的“线”，能让细胞不仅对存在的蛋白质发生响应，还能对缺失的蛋白质发生响应。

然而，这种“细胞黑客”线路（Cell-hacking circuit）要进入临床应用还需再等几年，但与其他实验性治疗相结合，他们最终将能够控制其在体内发挥作用时的位置和时机。比如，通过指示多功能干细胞对体内的蛋白质踪迹信号发生响应，让它们生出多种组织，分化成希望的样子；或让含有特定线路的杀癌免疫细胞能免受健康细胞的攻击。

二是在JCVI-syn1.0的基础上，“合成细胞”会进一步进行。在原有基因组基础上，通过增加或减少基因组的组成，了解新“合成细胞”的功能，从而获得组成生命的基本知识，为将来真正“自下而上”从头设计生命奠定基础。

截至目前，美国日本等国已经陆续用有机物合成人造细胞。美国研究小组宣布，制造出了人工NDA驱动的活细胞。这项研究结果让人联想到科学怪人的故事，但它确实非常有用，它最终目标是创造出新的燃料、净化污水的新方法、更快的疫苗生产等等。研究小组将这个产物称为世界上第一个合成细胞。换句话说，这是世界上第一个可以自我复制的，而且父母是一台计算机的活物种。哈佛医学院的乔治博士激动地说道：“等这一天很久了，等的还真值了！这是未来实际运用的一个重要里程碑”。但也有人认为，这只是一个部分的合成物，由于研究小组需要将人造的基因序列，粘入类似的活细胞中出。原细胞不仅仅是一个容器，它还有自己的细胞质。合成的部分，可以说是“在一个自然细胞中运行外来硬件”。日本东京大学研究人员用简单的有机化合物合成了能够自我增殖的人造细胞。这种增殖方式类似大肠杆菌的细胞有望成为探索生物起源的线索。