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(xué)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(guān)研究機(jī)構(gòu)提供2000萬英鎊資金,，發(fā)展合成生物學(xué)技術(shù)，鼓勵(lì)合成生物學(xué)技術(shù)商業(yè)化,。今年2月,，科學(xué)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(shí)間從原來的2天縮短為6個(gè)小時(shí),，向著新工業(yè)革命又邁進(jìn)了一步,。
但理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)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(xué)的提法已出現(xiàn)了一百多年，但真正實(shí)現(xiàn)突破則是最近10年的事,。”科技部基礎(chǔ)研究司司長張先恩說,。
所謂合成生物學(xué)，即綜合利用化學(xué)、物理,、分子生物學(xué)和信息學(xué)的知識和技術(shù),，設(shè)計(jì)、改造,、重建或制造生物分子,、生物體部件、生物反應(yīng)系統(tǒng),、代謝途徑和過程,，乃至細(xì)胞和生物個(gè)體。
其中,，美國生物學(xué)家文特爾是最具標(biāo)志性的人物,。他于2010年在實(shí)驗(yàn)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(gè)“人造單細(xì)胞生物”,。此前，這位科學(xué)奇才已在合成生物學(xué)研究領(lǐng)域獲得了一系列突破,。
當(dāng)然,，合成新的生命并非個(gè)人英雄主義行為。文特爾們能夠成功有賴于一系列技術(shù)的支撐,。
中科院《2013年高技術(shù)發(fā)展報(bào)告》指出,，DNA測序技術(shù)、DNA合成技術(shù)和計(jì)算機(jī)建模是支撐合成生物學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),。
近年來,，大量物種的全基因組測序，為合成生物學(xué)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,?？焖佟⒘畠r(jià)的測序技術(shù)也促進(jìn)了新的系統(tǒng)和物種的識別和解析,。
隨著DNA合成技術(shù)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(lǐng)域的研究對象,，生命體是高度動(dòng)態(tài)、靈活,、非線性,、不可預(yù)測的。“因此,，在如此復(fù)雜的生命體系中以工程化的設(shè)計(jì),，獲得特定的生物器件或人工生命系統(tǒng)，既是合成生物學(xué)的核心科學(xué)問題,，也是復(fù)雜的技術(shù)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(xué)技術(shù)新進(jìn)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(shù)開展合成生物學(xué)研究,。例如，美國能源部聯(lián)合生物能源所開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(dá),。
此外，標(biāo)準(zhǔn)生物元件庫的建設(shè)與底盤生物的構(gòu)建也促使創(chuàng)造生物的陽光逐漸照進(jìn)現(xiàn)實(shí),。
“合”以致用
合成生物學(xué)之所以令科學(xué)家如此興奮,，也是因其巨大的現(xiàn)實(shí)意義。“它對整個(gè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)都會(huì)有很大影響,。”中國工程院院士楊勝利說,。
“合成生物學(xué)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(guān)鍵的技術(shù)平臺,。”楊勝利表示，“生物化學(xué),、分子生物學(xué),、代謝工程等通過合成生物學(xué)工程化的手段，可以轉(zhuǎn)化為各種各樣的應(yīng)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(xué)等，全方位地推動(dòng)生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,。”
為突破資源環(huán)境對經(jīng)濟(jì)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(diǎn)。
隨著合成生物學(xué)與人工生物合成技術(shù)的發(fā)展,，人們將像合成化學(xué)品一樣,，根據(jù)需要設(shè)計(jì)、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(xué)的柯斯林實(shí)驗(yàn)室，通過對來自巨大芽孢桿菌的細(xì)胞色素酶進(jìn)行改造,，實(shí)現(xiàn)了青蒿素的半生物合成,。該實(shí)驗(yàn)室利用合成的蛋白腳手架，將與代謝途徑相關(guān)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(shù)公司在風(fēng)險(xiǎn)投資的支持下,，也建立了很多新的化學(xué)品和藥物化合物的生物合成途徑,，并開發(fā)出相應(yīng)的生物制造技術(shù)。此類合成生物相關(guān)研發(fā)產(chǎn)品分布在化學(xué),、醫(yī)藥,、能源、食品等多個(gè)領(lǐng)域,。
何為瓶頸
合成生物學(xué)的應(yīng)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(xué)領(lǐng)域具有顛覆性的技術(shù)，楊等人提議合成生物學(xué),。時(shí)任中國工程院院長徐匡迪問楊勝利,，合成生物學(xué)到底怎么做？楊勝利說,，其目標(biāo)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(xué)最大的挑戰(zhàn),。”楊勝利說。
生物要像機(jī)器一樣可以“組裝”,，那么必須解決元件的標(biāo)準(zhǔn)化和適配性問題,。
楊勝利表示，目前生物元件還未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化,，功能和穩(wěn)定性難以預(yù)測,，對其復(fù)雜性的理解也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，諸多元件之間尚無法匹配,，這些都成為合成生命個(gè)體的困難。
張先恩認(rèn)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(jì)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(shù)方法的突破,。”
此外，合成生物學(xué)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(xué)一定要吸取轉(zhuǎn)基因技術(shù)推廣過程中的教訓(xùn),，將安全性、倫理學(xué)問題放在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前面進(jìn)行先導(dǎo)性的研究,，監(jiān)管也應(yīng)同時(shí)跟上,。
對于我國合成生物學(xué)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(shù)的模式而不是合成生物學(xué)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(jì)算機(jī),、物理學(xué)背景的科研人員介入不夠，主要還是生物學(xué)家在操作,；在研究工具方面,，主要方法、技術(shù)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(cái)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(xué)的發(fā)展路線,，他表示,，工業(yè)生物技術(shù)是合成生物學(xué)的火車頭，我國合成生物學(xué)以工業(yè)生物技術(shù)為開端,，逐漸滲透到醫(yī)學(xué),、農(nóng)業(yè),、能源等領(lǐng)域。目前科技部已會(huì)同相關(guān)機(jī)構(gòu)商討制定我國的合成生物學(xué)發(fā)展路線圖,，正在對其進(jìn)行完善和明確分工過程,。（生物谷Bioon.com）
