合成生物學的現實挑戰

合成生物學標志性人物克雷格·文特爾 圖片來源：百度圖片

　　人們似乎正走在成為“造物主”的康莊大道上。

　　如今的合成生物學正成為各國爭搶的科技高地。去年11月，英國政府宣布，將向相關研究機構提供2000萬英鎊資金，發展合成生物學技術，鼓勵合成生物學技術商業化。今年2月，科學家開發出一種新方法，可以將微生物工廠新組件的制作時間從原來的2天縮短為6個小時，向著新工業革命又邁進了一步。

　　但理想很豐滿，現實很骨感。那么，“造物”何以成為可能?能為我們帶來什么?還有哪些挑戰?

　　何以可能

　　“合成生物學的提法已出現了一百多年，但真正實現突破則是最近10年的事。”科技部基礎研究司司長張先恩說。

　　所謂合成生物學，即綜合利用化學、物理、分子生物學和信息學的知識和技術，設計、改造、重建或制造生物分子、生物體部件、生物反應系統、代謝途徑和過程，乃至細胞和生物個體。

　　其中，美國生物學家文特爾是最具標志性的人物。他于2010年在實驗室中重塑“絲狀支原體絲狀亞種”的DNA，并將其植入去除了遺傳物質的山羊支原體體內，創造出歷史上首個“人造單細胞生物”。此前，這位科學奇才已在合成生物學研究領域獲得了一系列突破。

　　當然，合成新的生命并非個人英雄主義行為。文特爾們能夠成功有賴于一系列技術的支撐。

　　中科院《2013年高技術發展報告》指出，DNA測序技術、DNA合成技術和計算機建模是支撐合成生物學發展的關鍵技術。

　　近年來，大量物種的全基因組測序，為合成生物學家構建功能組件的底盤生物體系提供了豐富的遺傳信息。快速、廉價的測序技術也促進了新的系統和物種的識別和解析。

　　隨著DNA合成技術的快速發展，生命體系合成對象已從原核生物發展到酵母等真核生物。

　　相比于其他工程領域的研究對象，生命體是高度動態、靈活、非線性、不可預測的。“因此，在如此復雜的生命體系中以工程化的設計，獲得特定的生物器件或人工生命系統，既是合成生物學的核心科學問題，也是復雜的技術問題。”中科院院士、國家人類基因組南方研究中心執行主任趙國屏作為第一作者在《合成生物學技術新進展》一文中表示。

　　據了解，研究人員正在采用系統建模和仿真技術開展合成生物學研究。例如，美國能源部聯合生物能源所開發的計算機輔助設計模型和模擬RNA分子，可使工程生物元件或“RNA器件”用于控制微生物基因表達。

　　此外，標準生物元件庫的建設與底盤生物的構建也促使創造生物的陽光逐漸照進現實。

　　“合”以致用

　　合成生物學之所以令科學家如此興奮，也是因其巨大的現實意義。“它對整個生物技術產業都會有很大影響。”中國工程院院士楊勝利說。

　　“合成生物學對于我們的人口健康、國家安全、可持續發展而言都是很關鍵的技術平臺。”楊勝利表示，“生物化學、分子生物學、代謝工程等通過合成生物學工程化的手段，可以轉化為各種各樣的應用，例如生物傳感器、石化產品、材料、藥物、農業和再生醫學等，全方位地推動生物產業的發展。”

　　為突破資源環境對經濟發展的制約，以生物基產品替代石油基化工產品已成為國際競爭的新熱點。

　　隨著合成生物學與人工生物合成技術的發展，人們將像合成化學品一樣，根據需要設計、重組并優化新的生物合成途徑，生產出各種各樣的化合物。

　　加利福尼亞大學的柯斯林實驗室，通過對來自巨大芽孢桿菌的細胞色素酶進行改造，實現了青蒿素的半生物合成。該實驗室利用合成的蛋白腳手架，將與代謝途徑相關的酶類在空間上相連接，優化了代謝通量，使產物的生產率顯著提高。

　　近年來，殼牌、巴斯夫、拜耳等跨國公司斥巨資發展生物化工產業。一批中小型生物技術公司在風險投資的支持下，也建立了很多新的化學品和藥物化合物的生物合成途徑，并開發出相應的生物制造技術。此類合成生物相關研發產品分布在化學、醫藥、能源、食品等多個領域。

　　何為瓶頸

　　合成生物學的應用前景雖然壯闊，但前路并非坦途。

　　據楊勝利回憶，有一次，工程院討論什么是工程科學領域具有顛覆性的技術，楊等人提議合成生物學。時任中國工程院院長徐匡迪問楊勝利，合成生物學到底怎么做?楊勝利說，其目標就像電子工業一樣，用元件、模塊組裝成各種生物。徐匡迪反問，生物是活的，能不能做到?

　　“這就是合成生物學最大的挑戰。”楊勝利說。

　　生物要像機器一樣可以“組裝”，那么必須解決元件的標準化和適配性問題。

　　楊勝利表示，目前生物元件還未實現標準化，功能和穩定性難以預測，對其復雜性的理解也遠遠不夠，諸多元件之間尚無法匹配，這些都成為合成生命個體的困難。

　　張先恩認為，突破上述瓶頸的另一大挑戰便是合成基因的成本問題。“人類基因組計劃完成以后，目前基因測序的成本已下降到過去的一百萬分之一，但合成基因的成本下降并不多。成本的下降有賴于合成技術方法的突破。”

　　此外，合成生物學還面臨倫理、安全、法律等方面的問題。楊勝利呼吁，合成生物學一定要吸取轉基因技術推廣過程中的教訓，將安全性、倫理學問題放在產業發展的前面進行先導性的研究，監管也應同時跟上。

　　對于我國合成生物學研究亟待解決的問題，張先恩指出，在研究思路上，我國還限于傳統生物技術的模式而不是合成生物學方法來考慮問題，因此在解決問題的系統性、效率方面有差距;在人才方面，工程、計算機、物理學背景的科研人員介入不夠，主要還是生物學家在操作;在研究工具方面，主要方法、技術仍然是國外的，缺少自主創新;在資助體系上，企業來源少，國家財政投入渠道多但缺乏分工，總體資源不足。

　　對于我國合成生物學的發展路線，他表示，工業生物技術是合成生物學的火車頭，我國合成生物學以工業生物技術為開端，逐漸滲透到醫學、農業、能源等領域。目前科技部已會同相關機構商討制定我國的合成生物學發展路線圖，正在對其進行完善和明確分工過程。