合成生物学前沿

1 据美国物理学家组织网12月15日（北京时间）报道，瑞典和西班牙科学家使用转基因酵母细胞制造出了能够互相交流的“生物电路”，未来，科学家有望使用人体细胞构建出更复杂的系统，来检测人体健康状况。相关研究发表在12月9日出版的《自然》杂志上。

作为欧盟“分子计算机”项目的一部分，瑞典哥德堡大学和西班牙巴塞罗那庞培法布拉大学的科学家在哥德堡大学施特芬·霍曼教授的领导下进行了该项研究。

哥德堡大学细胞和分子生物学系肯塔罗·弗瑞卡瓦表示，尽管经过重新编程的细胞不能像真正的计算机做同样的工作，但该研究为使用这样的细胞建立复杂的系统铺平了道路。未来人体健康状况有望通过这种“分子对分子”的交流系统来探测，将疾病消灭在萌芽阶段；或者将其作为生物传感器来探测污染物，分解环境中的有毒物质等。

合成生物学是一个方兴未艾的研究领域，其中的一个应用是设计出自然界中不存在的生物系统。例如，研究人员已经成功地使用转基因细胞构建出许多不同的人工连接装置，诸如电路断路器、振荡器和传感器等。尽管这些人工连接器具有很大的潜力，但迄今为止还存在很多技术限制，主要原因是，分处不同细胞中的人工系统很少能按科学家的期望来工作，因此影响了最终结果。

该研究团队使用酵母细胞制造出了合成电路，细胞之间可通过基因调控进行连接。他们对这些酵母细胞进行了基因修改，使它们能够基于设定的标准来感应周遭环境，并通过分泌出分子向其它酵母细胞发送信号。因此，这些不同的细胞能像乐高玩具的积木块一样连接在一起，产生更复杂的电路。与使用一种转基因酵母细胞制成的结构相比，这种由不同转基因酵母细胞组成的结构能完成更复杂的“电子功能”。

2.据美国物理学家组织网12月14日报道，美国研究人员在使用自动筛选技术寻找新药品时，发现了一种能显著减缓生物钟的分子化合物，将其命名为“白日罪恶”。这一发现有望被用来开发新药品，帮助需要倒时差的空中飞人和严重睡眠障碍患者。相关论文发表于《公共科学图书馆—生物学》（PLoS Biology）。

此项研究由美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校生物科学院院长史蒂夫·凯的实验室主导。实验中，他们将生物钟基因加入到可使萤火虫发光的荧光素酶基因中，

然后将其植入人的骨癌细胞中，这样骨癌细胞就可以在生物钟被激活时发光，从而可以直观地得知细胞生物钟的变化。

在观察了多达12万种可能的化合物与人类骨癌细胞发生的反应后，研究人员筛选出了“白日罪恶”。在老鼠和幼年斑马鱼身上，研究人员同样发现这种分子化合物能显著减慢它们的生物钟。

之后，史蒂夫的团队将隔离出的“白日罪恶”分子交给另一间实验室的科学家做进一步研究，也得出了同样的结论。有鉴于此，史蒂夫自信地表示：“从理论上来说，‘白日罪过’可以用于治疗睡眠障碍。”

研究人员通过对酵母两个染色体片段进行改造，删去了其中重复的部分基因序列，并添加一些人工合成的基因序列，经人工改造的基因序列约占整个酵母基因组的1％。经过改造的酵母目前仍能正常存活，未出现明显异常。

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合成生物学近期获得了不少成果，比如最近来自耶鲁大学，New England BioLabs 公司的研究组成功完成了对细菌中蛋白质合成机制进行遗传学改造的研究，并将这一成果公布在Science杂志上，这是合成生物学研究中一项重要进展，也将为未来疾病治疗提供可新思路。

合成生物学的研究目前主要朝着两个方向发展。一是设计、建造具有生物功能的元件如生物分子或反应系统、生物装置和基因网络、多元件组成的功能单位及其更高级复杂系统的组装等。二是开发建立生物制造所需要的技术，包括如大分子基因组合成技术，生物功能元件的分析与测试技术，生物体信息的捕获与处理技术，系统模拟与控制技术等。实现手段涉及生物、化学、物理、材料、制造、信息等学科领域的方法和技术。

由于合成生物学囊括了与人类自身和社会发展相关的各个研究方向和内容，以解决人类可持续发展所面临的重大挑战性问题，如生物医学、药物合成、可循环化工、环境与能源、生物材料以及生物反恐等问题，因而被预言为未来生物技术经济发展的主要推动力。

近年来合成生物学研究进展迅速，其中我们也可以看到中国及华人学者在其中做出的重要贡献。近期来自奥地利国际对话与冲突研究所(IDC)生物安全组裴雷博士与中国科学院植物研究所的研究人员联合发表了题为“Synthetic biology: An emerging research field in China”的综述性文章，介绍了目前中国合成生物学研究的现状和一些不同的研究亚方向，以及对于国内合成生物学发展的

展望，这篇综述发表在Biotechnology Advances杂志上。

加州理工学院的华裔博士钱璐璐与Erik Winfree教授课题组研究人员今年6月在《Science》杂志上发表研究论文称他们利用一种新型的DNA分子元件在试管中构造出迄今最大最复杂的人工生化电路。这种生化电路可以使研究人员探索生物系统处理信息的原理，以及设计具有决策能力的生化通路。这种电路将会赋予生化学家对应用于生物工程、化学工程以及生化工业中的分子反应前所未有的掌控能力。比如说在未来，一个设计合成的生化电路可以被放入临床血液样本中，检测各种分子的在样本中的水平，然后根据这些信息作出病理学的诊断。

紧接着在7月，这一课题组再次在试管中用DNA构造出了人工神经网络，这一人工神经网络可以像大脑一样根据不完整的信息回想起相关的记忆。这标志科研人员在通往人工智能的道路上迈出了重要的一步。这一研究成果公布在Nature杂志上。研究人员表示这种具有人工智能的生化系统，或者至少是具有某些基本的决策能力的生化系统，可以在医药，化学以及生物领域带来不可估量的应用。在将来，这样的系统也许可以在细胞内工作，帮助回答根本的生物问题或者诊断疾病。如果一个生化过程能够对其他分子的存在做出智能响应，它将会允许工程师们一步一个分子的制造出日益复杂的化学物质，或者搭建出新的分子结构。并且在科技应用之外，对这些系统的设计也可以带给思维的进化过程以间接的认识。

另外，近日耶鲁大学的研究人员成功对细菌中的蛋白质合成机制进行了遗传学改造。这一研究成果发表在《科学》（Science)杂志上。

该论文的作者，细胞及分子生理学系的杰斯•莱因哈特（Jesse Rinehart）介绍说：“从本质上来说，我们已经扩展了大肠杆菌的遗传密码，这让我们能够合成以特殊形式，例如模拟天然状态或者疾病状态的蛋白质。”

耶鲁研究小组的理念是, 通过修改遗传密码，用新的方式影响蛋白质的行为，使之能实现大多数的生命功能。他们并没有创造自然界不存在的东西，而是诱发了磷酸化作用（phosphorylation）。磷酸化作用是生命体中最常见的基本生理过程，它能显著改变蛋白的功能。通常，蛋白的磷酸化作用并不直接由DNA编码指导合成，而是在蛋白质合成之后才开始，而这正是耶鲁的研究人员们想要改写的：他们希望把磷酸化过程添加到大肠杆菌的遗传密码中，通过DNA第一时