合成生物學(xué)（1980年建立的生物學(xué)科）
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合成生物學(xué)
1980年建立的生物學(xué)科
合成生物學(xué)是生物科學(xué)在二十一世紀(jì)剛剛出現(xiàn)的一個(gè)分支學(xué)科，近年來(lái)合成生物物質(zhì)的研究進(jìn)展很快。合成生物學(xué)與傳統(tǒng)生物學(xué)通過(guò)解剖生命體以研究其內(nèi)在構(gòu)造的辦法不同，合成生物學(xué)的研究方向完全是相反的，它是從最基本的要素開始一步步建立零部件。
合成生物學(xué)與基因工程把一個(gè)物種的基因延續(xù)、改變并轉(zhuǎn)移至另一物種的作法不同，合成生物學(xué)的目的在于建立人工生物系統(tǒng)（artificial biosystem），讓它們像電路一樣運(yùn)行。
基本信息
| 中文名 | 合成生物學(xué) |
| 外文名 | synthetic biology |
| 建立時(shí)間 | 1980年 |
| 研究范圍 | 生物學(xué) |
| 代表人物 | Hobom B |
| 其他稱呼 | 綜合生物學(xué) |
| 目的 | 人工生物系統(tǒng)，像電路一樣運(yùn)行 |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 生物科學(xué)、生物工程 |
收起
簡(jiǎn)介
合成生物學(xué)（synthetic biology），最初由Hobom B.于1980年提出來(lái)表述基因重組技術(shù)，隨著分子系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，2000年E. Kool在美國(guó)化學(xué)年會(huì)上重新提出來(lái)，2003年國(guó)際上定義為基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程和工程方法的人工生物系統(tǒng)研究，從基因片段、DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)傳導(dǎo)路徑到細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成，類似于現(xiàn)代集成型建筑工程，將工程學(xué)原理與方法應(yīng)用于遺傳工程與細(xì)胞工程等生物技術(shù)領(lǐng)域，合成生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)與化學(xué)生物學(xué)一同構(gòu)成系統(tǒng)生物技術(shù)的方法基礎(chǔ)。
合成生物學(xué)的研究
“合成生物學(xué)”更早可追蹤到波蘭科學(xué)家Waclaw Szybalski采用“合成生物學(xué)”術(shù)語(yǔ)，以及目睹分子生物學(xué)進(jìn)展、限制性內(nèi)切酶發(fā)現(xiàn)等可能導(dǎo)致合成生物體的預(yù)測(cè)。“系統(tǒng)生物學(xué)”則可追蹤到貝塔朗菲的“有機(jī)生物學(xué)”及定義“有機(jī)”為“整體或系統(tǒng)”概念，以及闡述采用開放系統(tǒng)論、數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)方法研究生物學(xué)。
隨著計(jì)算機(jī)、生物信息、基因合成與基因測(cè)序等技術(shù)的進(jìn)展，使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、全基因乃至基因組人工合成成為可能，使生物工程產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)瓶頸可能突破，使生物產(chǎn)業(yè)能夠進(jìn)入工程化與設(shè)計(jì)化的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，導(dǎo)致了有如“系統(tǒng)科學(xué)與自動(dòng)通訊技術(shù)”之間的理論研究與技術(shù)轉(zhuǎn)化互動(dòng)，系統(tǒng)科學(xué)與生物技術(shù)、系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物學(xué)之間的密切互動(dòng)，也將導(dǎo)致系統(tǒng)生物技術(shù)的基礎(chǔ)研究向應(yīng)用開發(fā)的轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)化科學(xué)、轉(zhuǎn)化生物學(xué)）距離迅速縮短。
理論背景
合成生物學(xué)的研究
合成生物學(xué)（synthetic biology），也可翻譯成綜合生物學(xué)，即綜合集成，“synthetic”在不同地方翻譯成不同中文，比如綜合哲學(xué)（synthetic philosophy）、“社會(huì)-心理-生物醫(yī)學(xué)模式”的綜合（synthetic）醫(yī)學(xué)（genbrain biosystem network - 中科院曾邦哲1999年建于德國(guó)，探討生物系統(tǒng)分析學(xué)“biosystem analysis”與人工生物系統(tǒng)“artificial biosystem”，包括實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、系統(tǒng)、工程研究與應(yīng)用），同時(shí)也被歸屬為人工生物系統(tǒng)研究的系統(tǒng)生物工程技術(shù)范疇，包括生物反應(yīng)器與生物計(jì)算機(jī)開發(fā)。
“21世紀(jì)是系統(tǒng)生物科學(xué)與工程 - 也就是生物系統(tǒng)分析學(xué)與人工生物系統(tǒng)的時(shí)代，將帶來(lái)未來(lái)的科技與產(chǎn)業(yè)革命”。系統(tǒng)（system）、整合（integrative）、合成（synthetic）或綜合生物學(xué)各有偏重點(diǎn)，系統(tǒng)（system）、結(jié)構(gòu)（structure）、圖式（patten）遺傳學(xué)也存在偏重點(diǎn)，但整個(gè)屬于系統(tǒng)生物科學(xué)與工程領(lǐng)域。系統(tǒng)科學(xué)方法與原理源自坎農(nóng)的生理學(xué)穩(wěn)態(tài)機(jī)理和圖靈的計(jì)算機(jī)模型及圖式發(fā)生的研究，又應(yīng)用于生物科學(xué)與工程。計(jì)算機(jī)科學(xué)中的圖形識(shí)別被翻譯成“模式”，但生物學(xué)中又有將“model animal”翻譯成模式動(dòng)物，在認(rèn)知心理學(xué)和發(fā)育生物學(xué)中也有的翻譯成“圖式”；因此，綜合翻譯成“圖式”（patten），而且也包括了“系統(tǒng)（scheme或system）”與“完形（gestalt或configuration）”等含意。21世紀(jì)伊始，進(jìn)入了系統(tǒng)生物學(xué)與工程迅速發(fā)展的時(shí)代，而系統(tǒng)遺傳學(xué)與合成生物學(xué)（系統(tǒng)遺傳工程或轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)生物技術(shù)）是其核心，并將帶來(lái)的是系統(tǒng)醫(yī)學(xué)與生物工業(yè)革命。1997年曾邦哲（Zeng BJ.）設(shè)計(jì)與操作的一個(gè)典型的系統(tǒng)生物學(xué)非加和性抗藥細(xì)胞實(shí)驗(yàn)：CHO細(xì)胞用化學(xué)誘變劑甲磺酸乙脂處理一次篩選到抗10uM和20uM洛伐他汀的細(xì)胞系，再用甲磺酸乙脂處理一次抗10uM洛伐他汀的突變細(xì)胞系篩選到高到可抗70uM洛伐他汀的細(xì)胞系，70uM遠(yuǎn)大于2X20uM=40uM，說(shuō)明基因與基因的相互作用是非加和性的，也就是系統(tǒng)遺傳學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。
發(fā)展歷程
合成生物學(xué)的研究
“在合成生物學(xué)的成熟，美國(guó)國(guó)會(huì)和政策制定者應(yīng)該考慮如何合理化和現(xiàn)代化的管理新的融合技術(shù)，而不是試圖鞋拔子每一個(gè)新的領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展到原有法律書面的一組不同的問(wèn)題和潛在的風(fēng)險(xiǎn)， ” Rodemeyer爭(zhēng)辯。
“這將是容易貶謫討論監(jiān)督次要。但是拖延承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。富有成效的對(duì)話可能會(huì)變得更加困難作為合成生物學(xué)的發(fā)展和利益相關(guān)者成為他們的意見分歧有關(guān)利益和風(fēng)險(xiǎn)。在現(xiàn)行的監(jiān)管架構(gòu)是為生物技術(shù)自然起點(diǎn)合成生物學(xué)監(jiān)督。但最好的框架是拼湊而成棉被，幾十年舊準(zhǔn)則和法律，可能會(huì)阻礙創(chuàng)新，削弱了公眾的信任，承諾和妥協(xié)的好處synbio說(shuō)， “大衛(wèi)Rejeski ，主任展望與治理項(xiàng)目，伍德羅威爾遜國(guó)際學(xué)者中心。“決策者，工業(yè)，和其他關(guān)鍵利益相關(guān)方應(yīng)立即開始討論的基本問(wèn)題，不論是現(xiàn)有的法規(guī)將與先進(jìn)的合成生物學(xué)，如果沒有，什么樣的變化，可能需要確保安全的開發(fā)和應(yīng)用科學(xué)。 ”拉特瑙研究所的一個(gè)單位，荷蘭皇家藝術(shù)和科學(xué)院，描述synbio作為融合的分子生物學(xué)，信息技術(shù)和納米技術(shù)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)生物系統(tǒng)（biosystem）。
合成生物學(xué)
早在1974年，波蘭遺傳學(xué)家斯吉巴爾斯基（Waclaw Szybalski），就已經(jīng)預(yù)言了生物學(xué)可能的未來(lái)：一直以來(lái)我們都在做分子生物學(xué)描述性的那一面，但當(dāng)我們進(jìn)入合成生物學(xué)的階段，真正的挑戰(zhàn)才要開始。我們會(huì)設(shè)計(jì)新的調(diào)控元素，并將新的分子加入已存在的基因組（genome）內(nèi)，甚至建構(gòu)一個(gè)全新的基因組。這將是一個(gè)擁有無(wú)限潛力的領(lǐng)域，幾乎沒有任何事能限制我們?nèi)プ鲆粋€(gè)更好的控制回路。最終，將會(huì)有合成的有機(jī)生命體出現(xiàn)。合成生物學(xué)可能源自于發(fā)現(xiàn)能“剪接”DNA的酵素之時(shí)。
合成生物學(xué)
1994年中科院曾邦哲發(fā)表系統(tǒng)生物工程的基因組藍(lán)圖設(shè)計(jì)與生物機(jī)器裝配、生物分子電腦與細(xì)胞仿生工程等仿生學(xué)與基因工程的整合概念，1999年曾邦哲用“genomic intelligence”表述可人工編制基因組程序和設(shè)計(jì)細(xì)胞內(nèi)分子電路系統(tǒng)的“artificial biosystem”概念圖，以之區(qū)別于“artificial life”，從而正式提出計(jì)算機(jī)學(xué)和仿生學(xué)、轉(zhuǎn)基因工程的細(xì)胞分子機(jī)器的設(shè)計(jì)與裝配研究。
《科學(xué)美國(guó)人》（Scientific American）雜志編輯比艾羅（David Biello）曾經(jīng)用過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻，來(lái)說(shuō)明什么是合成生物學(xué)：如果將生命比作電腦，那么，由許多核酸組成的程式碼——基因體，就是生命的作業(yè)系統(tǒng)（operating system）。合成生物學(xué)想做的就是，透過(guò)創(chuàng)造或改寫基因組，讓生命表現(xiàn)出預(yù)期的行為，執(zhí)行預(yù)定的工作。然而，有時(shí)候我們會(huì)把生命的程式寫“壞”了，就像你把電腦的作業(yè)系統(tǒng)弄壞了一樣；電腦會(huì)因此開不了機(jī)，而生命機(jī)器也會(huì)因此不正常或是死亡。藉由嘗試錯(cuò)誤（trial and error）的過(guò)程，累積成功與失敗的經(jīng)驗(yàn)，人們就會(huì)漸漸了解生命程式的規(guī)則與語(yǔ)法，進(jìn)而掌握撰寫生命藍(lán)圖的法則。
為了控制生命機(jī)器的行為表現(xiàn)，我們需要將控制邏輯寫到生命的作業(yè)系統(tǒng)——基因體之中。控制邏輯是工程學(xué)（engineering）的專業(yè)領(lǐng)域，因此合成生物學(xué)必須結(jié)合工程學(xué)與生物學(xué)等學(xué)門，為一跨領(lǐng)域的研究學(xué)門。能與合成生物學(xué)結(jié)合的領(lǐng)域包括：分子生物學(xué)、基因組工程、資訊科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、電機(jī)電子工程等。
分子生物學(xué)與基因組工程是合成生物學(xué)的根基，因?yàn)楸仨毻高^(guò)剪接DNA，才能寫出所需要的作業(yè)系統(tǒng)；資訊科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)，專精於生物資料的收集、分析與模擬；電機(jī)電子工程則是負(fù)責(zé)控制邏輯回路的設(shè)計(jì)。合成生物學(xué)的目標(biāo)是透過(guò)創(chuàng)造或修改基因組的過(guò)程，去了解生命運(yùn)作的法則，并導(dǎo)入抽象化（abstraction）、標(biāo)準(zhǔn)化（standardization）等工程概念，以進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)與開發(fā)相關(guān)應(yīng)用。
應(yīng)用前景
合成生物學(xué)將催生下一次生物技術(shù)革命。目前，科學(xué)家們已經(jīng)不局限于非常辛苦地進(jìn)行基因剪接，而是開始構(gòu)建遺傳密碼，以期利用合成的遺傳因子構(gòu)建新的生物體。合成生物學(xué)在未來(lái)幾年有望取得迅速進(jìn)展。據(jù)估計(jì)，合成生物學(xué)在很多領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O好的應(yīng)用前景，這些領(lǐng)域包括更有效的疫苗的生產(chǎn)、新藥和改進(jìn)的藥物、以生物學(xué)為基礎(chǔ)的制造、利用可再生能源生產(chǎn)可持續(xù)能源、環(huán)境污染的生物治理、可以檢測(cè)有毒化學(xué)物質(zhì)的生物傳感器等。
盡管合成生物學(xué)的商業(yè)應(yīng)用多數(shù)還要幾年以后才能實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在研究人員已經(jīng)在利用合成生物體來(lái)研制下一代清潔的可再生生物燃料以及某些稀缺的藥物。第一代合成微生物是合成生物學(xué)的簡(jiǎn)單應(yīng)用，它們可能與目前利用DNA重組的微生物類似，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估或許不成問(wèn)題，因此，對(duì)立法者的挑戰(zhàn)較少。但隨著合成生物學(xué)技術(shù)不斷走向成熟，又可能研制出復(fù)雜的有機(jī)體，其基因組可能由各種基因序列（包括實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和研制的人工基因序列）重組而成。盡管其風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題與經(jīng)過(guò)基因修飾的生物體引發(fā)的問(wèn)題類似，但對(duì)于這類復(fù)雜的合成微生物來(lái)說(shuō)，找到上述問(wèn)題的答案要困難得多。
在轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)方面，立法者對(duì)轉(zhuǎn)基因生物體進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，一般是通過(guò)將轉(zhuǎn)基因生物體與為人們所熟知的同類的非轉(zhuǎn)基因生物進(jìn)行比較分析，從而認(rèn)識(shí)增加的遺傳物質(zhì)的功能。立法者通過(guò)將自然存在的物種與轉(zhuǎn)基因物種進(jìn)行比較，來(lái)確保新的有機(jī)體像其傳統(tǒng)的同類物質(zhì)“一樣安全”。
但是，對(duì)于通過(guò)合成生物學(xué)制成的復(fù)雜的有機(jī)體而言，如果它是由各種來(lái)源的遺傳序列組合而成或者含有人工DNA，就很難確定其“遺傳譜系”。另外，重組后的遺傳序列是否保留其原有的功能，或者新組分之間是否會(huì)產(chǎn)生協(xié)同反應(yīng)從而導(dǎo)致不同的功能或行為也是個(gè)問(wèn)題。隨著對(duì)有關(guān)遺傳成分的認(rèn)識(shí)的增加，科學(xué)家們也許可以預(yù)測(cè)新的遺傳改造所具有的功能，但是，由來(lái)自合成和自然物質(zhì)的遺傳成分合成的有機(jī)體可能會(huì)表現(xiàn)出原來(lái)沒有過(guò)的“新行為”。先進(jìn)的合成微生物的復(fù)雜性給根據(jù)遺傳序列和結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能預(yù)測(cè)增加了新的不確定性。現(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法無(wú)法用來(lái)預(yù)測(cè)復(fù)雜的適應(yīng)系統(tǒng)。此外，盡管許多科學(xué)家認(rèn)為轉(zhuǎn)基因生物體在自然環(huán)境中可能無(wú)法生存或繁殖，但合成有機(jī)體可以發(fā)生變異和進(jìn)化，這引起了人們的擔(dān)憂，擔(dān)心它們?nèi)绻尫诺江h(huán)境中，其遺傳物質(zhì)可能擴(kuò)散到其它有機(jī)體，或者與其它有機(jī)體交換遺傳物質(zhì)。這種風(fēng)險(xiǎn)同樣與轉(zhuǎn)基因生物引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)類似，只是要預(yù)先評(píng)估將來(lái)開發(fā)的復(fù)雜的合成生物體的風(fēng)險(xiǎn)更為困難。
合成生物學(xué)無(wú)疑會(huì)推動(dòng)生物燃料、特種化學(xué)品、農(nóng)業(yè)和藥物等方面的進(jìn)步。但這個(gè)新興領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)政府的監(jiān)管提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。科學(xué)家們已經(jīng)開始關(guān)注合成生物學(xué)研究的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。最受關(guān)注的莫過(guò)于生物安全問(wèn)題。合成生物學(xué)的早期應(yīng)用引發(fā)的安全性問(wèn)題應(yīng)予以重視。像其它新技術(shù)一樣，合成生物學(xué)對(duì)決策者提出了挑戰(zhàn)。政府在制定政策時(shí)必須做出權(quán)衡，一方面是如何收獲新產(chǎn)品的利益，另一方面是如何預(yù)防對(duì)環(huán)境和公共健康的潛在危害。目前，人們普遍認(rèn)為，針對(duì)遺傳工程制定的政策和法規(guī)是制定面向合成生物學(xué)的政策法規(guī)時(shí)可以效仿的。在這項(xiàng)新技術(shù)成熟之前，決策者應(yīng)考慮如何對(duì)這項(xiàng)新興的融合技術(shù)進(jìn)行約束。由于合成生物學(xué)的不確定性，立法者面臨的挑戰(zhàn)是如何制定決策，使對(duì)合成生物體的管制既不能過(guò)松，也不能過(guò)嚴(yán)。因此，亟需在產(chǎn)品開發(fā)的同時(shí)開展風(fēng)險(xiǎn)研究。毋庸置疑，一般性研究是很有用的，但很多情況下，必須針對(duì)具體的生物體、產(chǎn)品和應(yīng)用進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究。
發(fā)展的重要性
“合成生物學(xué)是21世紀(jì)初新興的生物學(xué)研究領(lǐng)域，是在闡明并模擬生物合成的基本規(guī)律之上，達(dá)到人工設(shè)計(jì)并構(gòu)建新的、具有特定生理功能的生物系統(tǒng)，從而建立藥物、功能材料或能源替代品等的生物制造途徑，我國(guó)必須重視和加強(qiáng)這一領(lǐng)域的研究與開發(fā)。”近日，在以“合成生物學(xué)基礎(chǔ)前沿問(wèn)題”為主題的第144期東方科技論壇上，來(lái)自全國(guó)各地60多位兩院院士和專家學(xué)者發(fā)出呼吁。
中國(guó)大會(huì)執(zhí)行主席鄧子新院士認(rèn)為：“在合成生物學(xué)在全世界蓬勃發(fā)展的歷史性機(jī)遇面前，探討在我國(guó)開展合成生物學(xué)的研究對(duì)象與最佳切入點(diǎn)，發(fā)展和建立合成生物學(xué)新理論、新方法及相應(yīng)的技術(shù)支撐體系，這對(duì)提升我國(guó)現(xiàn)代化生物技術(shù)水平、搶占合成生物學(xué)研究制高點(diǎn)有極大的意義。”與會(huì)專家結(jié)合國(guó)際合成生物學(xué)發(fā)展動(dòng)態(tài)及我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，探討我國(guó)開展合成生物學(xué)的可行性、現(xiàn)階段的主要目標(biāo)和任務(wù)，就合成生物學(xué)中核心元件（如基因線路、酶、代謝途徑等）的標(biāo)準(zhǔn)化以及合理組裝方式，建立具有可預(yù)測(cè)性和調(diào)控性的代謝途徑，構(gòu)建具有特定功能的新生物體等進(jìn)行了深入研討。
自2000年《自然》（Nature）雜志報(bào)道了人工合成基因線路研究成果以來(lái)，合成生物學(xué)研究在全世界范圍引起了廣泛的關(guān)注與重視，被公認(rèn)為在醫(yī)學(xué)、制藥、化工、能源、材料、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)際上的合成生物學(xué)研究發(fā)展飛速，在短短幾年內(nèi)就已經(jīng)設(shè)計(jì)了多種基因控制模塊，包括開關(guān)、脈沖發(fā)生器、振蕩器等，可以有效調(diào)節(jié)基因表達(dá)、蛋白質(zhì)功能、細(xì)胞代謝或細(xì)胞間相互作用。2003年在美國(guó)麻省理工學(xué)院成立了標(biāo)準(zhǔn)生物部件登記處，目前已經(jīng)收集了大約3200個(gè)BioBrick標(biāo)準(zhǔn)化生物學(xué)部件，供全世界科學(xué)家索取，以便在現(xiàn)有部件的基礎(chǔ)上組裝具有更復(fù)雜功能的生物系統(tǒng)。
中國(guó)大會(huì)執(zhí)行主席楊勝利院士在報(bào)告中指出，2006年以來(lái)，合成生物學(xué)發(fā)展又進(jìn)入了新階段，研究主流從單一生物部件的設(shè)計(jì)，快速發(fā)展到對(duì)多種基本部件和模塊進(jìn)行整合。通過(guò)設(shè)計(jì)多部件之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作建立復(fù)雜的系統(tǒng)，并對(duì)代謝網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，從而構(gòu)建人工細(xì)胞行為來(lái)實(shí)現(xiàn)藥物、功能材料與能源替代品的大規(guī)模生產(chǎn)。
2008年，美國(guó)Smith等人報(bào)道了世界上第一個(gè)完全由人工化學(xué)合成、組裝的細(xì)菌基因組。今年8月份，他們又成功地將該基因組轉(zhuǎn)入到Mycoplasma genitalium宿主細(xì)胞中，獲得了具有生存能力的新菌株。該研究使人工合成生命這一合成生物學(xué)終極目標(biāo)取得了歷史性突破，為創(chuàng)造可用于生產(chǎn)藥物、生物燃料、清理毒性廢物等方面的人工基因組奠定了基礎(chǔ)。
與國(guó)際上合成生物學(xué)的飛速發(fā)展相比，中國(guó)在此領(lǐng)域的研究還處于起步階段。在國(guó)際上有影響的相關(guān)重大成果仍不多見。但是，我國(guó)在合成生物學(xué)所需的相關(guān)支撐技術(shù)研究方面并不落后于國(guó)際主流水平，如大規(guī)模測(cè)序、代謝工程技術(shù)、微生物學(xué)、酶學(xué)、生物信息學(xué)等方面均有良好的基礎(chǔ)。如何對(duì)現(xiàn)有研究力量進(jìn)行整合，充分發(fā)揮在相關(guān)領(lǐng)域已有的良好研究基礎(chǔ)，從醫(yī)藥、能源和環(huán)境等產(chǎn)業(yè)重大產(chǎn)品入手，抓住合成生物學(xué)的核心科學(xué)問(wèn)題，創(chuàng)建可控合成、功能導(dǎo)向的新代謝網(wǎng)絡(luò)和新生物體，引領(lǐng)中國(guó)合成生物學(xué)的原創(chuàng)研究和自主創(chuàng)新，是目前亟待解決的問(wèn)題。”
中國(guó)大會(huì)執(zhí)行主席趙國(guó)屏院士在以《合成生物學(xué)——從科學(xué)內(nèi)涵到工程實(shí)踐》為題的報(bào)告中提出，合成生物學(xué)是繼系統(tǒng)生物學(xué)之后，生物學(xué)研究思想在從“分析”趨于“綜合”、從“局部”走向“整體”的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，上升至復(fù)雜生命體系“合成、構(gòu)建”的更高層次；也是繼以“原位改造與優(yōu)化”為目的的基因工程技術(shù)和以“數(shù)據(jù)獲取與分析”為基礎(chǔ)的基因組技術(shù)之后，生物技術(shù)上升至以工程化“模型設(shè)計(jì)與模塊制造”為導(dǎo)向的更高臺(tái)階。
利用合成生物學(xué)實(shí)現(xiàn)‘人造生命’，是通過(guò)學(xué)科交叉，進(jìn)一步發(fā)展系統(tǒng)生物學(xué)的一次科學(xué)思維革命，將為生物學(xué)基礎(chǔ)研究提供嶄新的思想武器。利用合成生物學(xué)方法和理論，對(duì)生命過(guò)程或生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成，創(chuàng)造解決生物醫(yī)藥、環(huán)境能源、生物材料等問(wèn)題的微生物、細(xì)胞和蛋白（酶）等新“生命”，可能帶來(lái)新一輪技術(shù)革命的浪潮，對(duì)于解決與國(guó)計(jì)民生相關(guān)的重大生物技術(shù)問(wèn)題有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)的策略意義。“它有助于人類應(yīng)對(duì)社會(huì)發(fā)展中面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從而從根本上改變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，在帶來(lái)巨大社會(huì)財(cái)富的同時(shí)，促進(jìn)社會(huì)的穩(wěn)定、和諧發(fā)展。
中國(guó)科學(xué)院微生物所研究員馬延和、清華大學(xué)教授林章凜、南開大學(xué)教授王磊、山東大學(xué)教授祁慶生和復(fù)旦大學(xué)/西藏大學(xué)教授鐘揚(yáng)等專家建議，針對(duì)我國(guó)在能源、環(huán)境、健康等方面的需求與挑戰(zhàn)，要聚焦若干重要的生物學(xué)體系，實(shí)施面向生物醫(yī)藥、生物能源和生物基產(chǎn)品等重要生物產(chǎn)品的合成生物學(xué)理論與技術(shù)的基礎(chǔ)研究，設(shè)計(jì)并合成相關(guān)的細(xì)胞工廠和分子機(jī)器。“在具體實(shí)施中，一方面要建立合成生物學(xué)工程技術(shù)平臺(tái)和研究實(shí)驗(yàn)體系，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工程科學(xué)問(wèn)題的重大突破，另一方面要揭示細(xì)胞工廠和分子機(jī)器的運(yùn)行機(jī)理和構(gòu)造原理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高元件、網(wǎng)絡(luò)的合成能力和調(diào)控能力，盡早拿出實(shí)在的成果來(lái)。”
發(fā)展現(xiàn)狀
最新突破
Synthia and its father
于是，在花費(fèi)了40,000,000美元和15年的等待后，2010年5月20日，吉布森（Gibson）和他的同事們?cè)谖奶匮芯克迹澜缟系谝粋€(gè)由純?nèi)斯ず铣蓜?chuàng)造的細(xì)菌物種誕生了。這一“驗(yàn)證理論”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為眾多正在探討和進(jìn)行類似項(xiàng)目研究的科學(xué)家們打了一劑定心針，因?yàn)榭死赘褡C明了人工創(chuàng)造物種的可能性與實(shí)踐性。
重塑生命，這正是合成生物學(xué)這一新興科學(xué)的核心思想。該學(xué)科致力于從零開始建立微生物基因組，從而分解、改變并擴(kuò)展自然界在35億年前建立的基因密碼。此外，還可以通過(guò)人工方式迫使某一細(xì)菌合成氨基酸。合成生物學(xué)是基因工程中一個(gè)剛剛出現(xiàn)的分支學(xué)科，它吸引了大批的生物學(xué)家和信息工程師致力于此項(xiàng)研究。
人類正在設(shè)計(jì)并構(gòu)建一些可以按照預(yù)定方式存在的生命體系。在有些情況下，它們是依靠人工開發(fā)的基因密碼運(yùn)行的，因此它們具備了某些自然機(jī)體不具備的能力，美國(guó)馬薩諸塞州技術(shù)研究所合成生物學(xué)小組負(fù)責(zé)人德魯·恩迪解釋說(shuō)。與基因工程把一個(gè)物種的基因延續(xù)、改變并轉(zhuǎn)移至另一物種的作法不同，合成生物學(xué)的目的在于建立人工生物體系，讓它們像電路一樣運(yùn)行。“所謂合成，就是由我們建立各個(gè)活的部件，是逆自然世界的一個(gè)過(guò)程”。研究合成生物學(xué)的科學(xué)家們預(yù)言，合成生物學(xué)的成功將意味著科學(xué)的極大進(jìn)步。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)蛋白質(zhì)研究工程師溫德爾·利姆認(rèn)為，合成生物學(xué)通過(guò)修復(fù)細(xì)胞功能、消除腫瘤、刺激細(xì)胞生長(zhǎng)和使某些決定性細(xì)胞再生，實(shí)現(xiàn)治療各種疾病的目的。
一些專家提出應(yīng)該制造一個(gè)配備有生物芯片的細(xì)胞機(jī)器人，讓它在我們的動(dòng)脈中游蕩，檢測(cè)并消除導(dǎo)致血栓的動(dòng)脈粥樣硬化。還有一些研究人員認(rèn)為，運(yùn)用合成生物學(xué)還可以制成各種各樣的細(xì)菌，用來(lái)消除水污染、清除垃圾、處理核廢料等。恩迪還提出，可制造一種生物機(jī)器用來(lái)探測(cè)化學(xué)和生物武器，發(fā)出爆炸物警告，甚至可以從太陽(yáng)中獲取能量，用來(lái)制造清潔燃料。但是也有一些謹(jǐn)慎的研究人員認(rèn)為，合成生物學(xué)存在某些潛在危險(xiǎn)，它會(huì)顛覆納米技術(shù)和傳統(tǒng)基因工程學(xué)的概念。如果合成生物學(xué)提出的創(chuàng)建新生命體的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)，科學(xué)家們就必須有效防止這一技術(shù)的濫用，防止生物倫理沖突以及一些現(xiàn)在還無(wú)法預(yù)知的災(zāi)難。
2002年，紐約大學(xué)的病毒學(xué)家埃卡德·維默爾宣布他和他的研究小組從生物技術(shù)公司購(gòu)買了DNA短小片斷，并在DNA合成公司的協(xié)助下將它們連接起來(lái)，制造出了人工合成的脊髓灰質(zhì)炎病毒。這項(xiàng)研究的成功讓維默爾完成了一項(xiàng)前人從未完成的工作。但他同時(shí)向人們發(fā)出警告，生物恐怖主義分子完全有能力制造出致命病毒，例如埃博拉病毒、天花病毒以及一切目前人們擁有的藥物均無(wú)法消滅的病毒。
毫無(wú)疑問(wèn)，在科學(xué)家的理解中，細(xì)胞是自然界進(jìn)化魔杖的完美設(shè)計(jì)，而合成生物學(xué)正是這一概念的邏輯推論。盡管科學(xué)家們?cè)诤铣缮飳W(xué)方面做的各項(xiàng)研究和實(shí)驗(yàn)還處于初級(jí)階段，但這項(xiàng)前沿科學(xué)一定能夠給人們帶來(lái)驚喜，無(wú)論這樣的驚喜是好是壞。
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