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(gòu)提供2000萬英鎊資金,，發(fā)展合成生物學技術,，鼓勵合成生物學技術商業(yè)化,。今年2月，科學家開發(fā)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(yè)革命又邁進了一步。
但理想很豐滿,，現(xiàn)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(zhàn)？
何以可能
“合成生物學的提法已出現(xiàn)了一百多年,，但真正實現(xiàn)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(tǒng)、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(zhì)的山羊支原體體內(nèi)，創(chuàng)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(fā)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(fā)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(gòu)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(tǒng)和物種的識別和解析,。
隨著DNA合成技術的快速發(fā)展，生命體系合成對象已從原核生物發(fā)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(tài)、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(tǒng)，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(zhí)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(jù)了解,，研究人員正在采用系統(tǒng)建模和仿真技術開展合成生物學研究。例如,，美國能源部聯(lián)合生物能源所開發(fā)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(gòu)建也促使創(chuàng)造生物的陽光逐漸照進現(xiàn)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(xiàn)實意義,。“它對整個生物技術產(chǎn)業(yè)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(xù)發(fā)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(zhuǎn)化為各種各樣的應用，例如生物傳感器,、石化產(chǎn)品,、材料,、藥物、農(nóng)業(yè)和再生醫(yī)學等,，全方位地推動生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,。”
為突破資源環(huán)境對經(jīng)濟發(fā)展的制約，以生物基產(chǎn)品替代石油基化工產(chǎn)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(fā)展,，人們將像合成化學品一樣，根據(jù)需要設計,、重組并優(yōu)化新的生物合成途徑,，生產(chǎn)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(xiàn)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(yōu)化了代謝通量，使產(chǎn)物的生產(chǎn)率顯著提高,。
近年來,，殼牌、巴斯夫,、拜耳等跨國公司斥巨資發(fā)展生物化工產(chǎn)業(yè),。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(fā)出相應的生物制造技術,。此類合成生物相關研發(fā)產(chǎn)品分布在化學、醫(yī)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(jù)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(yè)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(zhàn)。”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(xiàn)標準化,，功能和穩(wěn)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(zhàn)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(zhuǎn)基因技術推廣過程中的教訓，將安全性,、倫理學問題放在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前面進行先導性的研究,，監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(chuàng)新；在資助體系上,，企業(yè)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(fā)展路線,，他表示，工業(yè)生物技術是合成生物學的火車頭,，我國合成生物學以工業(yè)生物技術為開端,，逐漸滲透到醫(yī)學、農(nóng)業(yè),、能源等領域,。目前科技部已會同相關機構(gòu)商討制定我國的合成生物學發(fā)展路線圖，正在對其進行完善和明確分工過程,。（生物谷Bioon.com）
