在分子水平上调控生命系统 ——国内外专家热议合成生物学的现状与发展
——国内外专家热议合成生物学的现状与发展
□潘文
“比起当前的转基因、基因工程等技术，合成生物学研究代表了下一代生物技术。”在日前举行的以“合成生物学”为主题的第322次香山科学会议上，中国科学院院士、天津大学张春霆研究员如是说。来自国内外的40多位专家就“重塑生命”这一充满奇思妙想的研究热点展开了热烈的讨论。
研究势头迅猛
张春霆说，近代科学技术的发展都遵循着一个从数据积累到科学发现，再到理论诞生乃至应用的过程。他认为，本世纪生物科学技术的发展可视为第四次科学浪潮。人类基因组计划以及各种生物组学提供了大量有关生命系统的数据，生物信息学的发展为各类数据的归纳与整合提供了强有力的工具，系统生物学旨在揭示细胞内分子运动的普遍规律，合成生物学就是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统，来解决能源、材料、健康和环保等问题。
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1953年，Watson和Crick阐明了DNA的双螺旋结构。1990年人类基因组计划正式启动，并于2003年4月14日完成了人类基因组全部序列测定。模式生物基因组计划已完成测序的模式生物有小鼠、线虫、拟南芥、果蝇、水稻、酵母、部分细菌和病毒等。基因组测序积累了海量数据，同时大量的各种组学，如基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等研究也得到蓬勃发展，使得人类所积累的生物学数据达到了天文数量级，这些都为合成生物学的发展奠定了基础。
《科学》(《Science》)杂志早在1911年第33卷中的两篇文章就首次出现了“synthetic biology”(合成生物学)一词。2000年以后，合成生物学一词开始在国内外各类学术刊物及互联网上逐渐大量出现，2004年美国麻省理工学院(MIT)出版的《Technology Review》把合成生物学评为将改变世界的10大新出现的技术之一。美国生物经济研究协会2007年发表了题为“基因组合成和设计未来：对美国经济的影响”的研究报告。该报告分析了合成生物学及基因组工程支撑技术的迅速发展；展望了合成生物学与基因组工程的应用前景，指出合成生物学将比DNA重组技术发展得更快。
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近年来，美国、欧盟不断加大合成生物学领域研究的投入。美国国家自然科学基金(NSF)2006年投入2000万美元资助建立“合成生物学工程研究中心”，由加州大学伯克利分校(UCB)、哈佛大学、MIT、加州大学旧金山分校(UCSF)等共同组建。欧盟于2007年启动了“合成生物学”——新的及刚出现的科学技术引导项目(European Commission project II)，涉及上述报告中各方面的18个项目。
与会专家指出，我国在合成生物学方面的研究还在起步阶段，在生物学相关技术的研究与应用方面，如基因组测序技术、DNA合成技术、基因组改造技术、系统生物学、生物信息学等已经有了许多积累，可以说与发达国家几乎处在同一起跑线上，但是相关研究还较为零散。
重塑生命是核心
美国加州大学物理系华泰立(Terry Hwa)教授做了题为“合成生物学综述”的主题报告。他在报告中强调：“合成生物学的核心是在分子水平上对生命系统进行调控，以满足农业、工业、医药发展的需求。”
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张春霆也表示，合成生物学是人类基因组计划实施以来，基因组学、生物信息学和系统生物学等学科发展的一个合乎逻辑的结果，主要包括两个方面，一是设计和构建新的生物零件、组件和系统；二是对现有、天然存在的生物系统重新设计和改造，以造福人类社会。从生命最基本的要素开始，一步步构建人工生命系统是合成生物学的核心。
合成生物学主要研究四个方面的内容：细胞是蛋白质、核酸与其他分子组成的一个网络，合成生物学首先要研究的是细胞网络；二是研究基因线路；三是合成生物材料与物质；四是研究最小基因组与合成生物。
合成生物学技术包括DNA的合成，来自细菌、酵母及植物等多种基因及代谢途径的组装，多基因的精密调控等。利用合成生物学技术可以合成非天然的氨基酸和碱基，如2003年Schultz小组在大肠杆菌的蛋白质合成系统中引入新的化学成分，从而成功地合成包含非天然氨基酸的蛋白质；2006年Benner小组通过引入新的碱基对，成功发展了人工生命遗传系统。
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抗疟药物青蒿素的微生物工业化合成研究是合成生物学研究的典范之作。华泰立介绍说，虽然已有的生物技术足以将有关代谢途径嫁接到大肠杆菌上，但要达到实用的经济效益，其产量必须提高7个数量级。经过多年的不懈努力，这项科学难题终于在Keasling教授的实验室被攻克。他们对有关代谢途径作了重新设计，解决了天然或非天然代谢物大量积累对寄主的毒性问题，并用变异进化法对改造后的微生物进行优化筛选，最终将青蒿素合成的成本降为原来的1/10。
同样是把“双刃剑”
尽管生物学还是一门相对年轻的研究领域，但人类合成“生命”的脚步从未停止过。1828年Wohler合成尿素；1953年Miller通过放电合成氨基酸；1965年中国科学家合成牛胰岛素；1979年Khorana合成酪氨酸阻遏tRNA基因；1981年中国科学家合成酵母丙氨酸tRNA；2002年Wimmer小组合成脊髓灰质炎病毒(约7400bp)；2003年Venter小组合成噬菌体psiX174(约5400bp)；2008年Venter小组合成生殖道支原体基因组(582.790kb)。
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有专家坦承：“人工合成的生物系统一旦逃逸到自然界，可能会引发生态灾难；恐怖分子可能会利用合成生物学技术制造生物(基因)武器，造成重大人员伤亡。合成生物学的研究比当前的转基因技术、基因工程等更为前卫，产生的社会效益与风险也是一把双刃剑。”
合成生物学的发展已经引起了社会各界的广泛关注，在各种科学刊物及学术会议上有关合成生物学与生物安全、伦理道德及知识产权也是经常讨论的重要议题。2007年6月，多位学者在《自然 生物》(《Nature Biotech》)上发表了题为“DNA合成与生物安全”的文章，提出由合成公司、研究机构及政府管理机构相互配合共同遵守的框架。
张春霆院士提醒说，合成生物学在人类认识生命、揭示生命的奥秘、重新设计及改造生物等方面具有重大的科学意义。基因组测序技术及DNA合成技术正在快速发展，人们认为合成生物学将会像信息技术一样得到迅速发展，并将在能源、化学品、材料、疫苗等医药领域得到广泛应用，具有巨大的社会效益及经济效益。但如果对合成生物学把握不当也会产生负面影响，我们必须早做准备，从开始介入就要在生物安全、伦理、知识产权等方面建立必要的法规和制度，以保证合成生物学健康快速发展。, http://www.100md.com
□潘文
“比起当前的转基因、基因工程等技术，合成生物学研究代表了下一代生物技术。”在日前举行的以“合成生物学”为主题的第322次香山科学会议上，中国科学院院士、天津大学张春霆研究员如是说。来自国内外的40多位专家就“重塑生命”这一充满奇思妙想的研究热点展开了热烈的讨论。
研究势头迅猛
张春霆说，近代科学技术的发展都遵循着一个从数据积累到科学发现，再到理论诞生乃至应用的过程。他认为，本世纪生物科学技术的发展可视为第四次科学浪潮。人类基因组计划以及各种生物组学提供了大量有关生命系统的数据，生物信息学的发展为各类数据的归纳与整合提供了强有力的工具，系统生物学旨在揭示细胞内分子运动的普遍规律，合成生物学就是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统，来解决能源、材料、健康和环保等问题。
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1953年，Watson和Crick阐明了DNA的双螺旋结构。1990年人类基因组计划正式启动，并于2003年4月14日完成了人类基因组全部序列测定。模式生物基因组计划已完成测序的模式生物有小鼠、线虫、拟南芥、果蝇、水稻、酵母、部分细菌和病毒等。基因组测序积累了海量数据，同时大量的各种组学，如基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等研究也得到蓬勃发展，使得人类所积累的生物学数据达到了天文数量级，这些都为合成生物学的发展奠定了基础。
《科学》(《Science》)杂志早在1911年第33卷中的两篇文章就首次出现了“synthetic biology”(合成生物学)一词。2000年以后，合成生物学一词开始在国内外各类学术刊物及互联网上逐渐大量出现，2004年美国麻省理工学院(MIT)出版的《Technology Review》把合成生物学评为将改变世界的10大新出现的技术之一。美国生物经济研究协会2007年发表了题为“基因组合成和设计未来：对美国经济的影响”的研究报告。该报告分析了合成生物学及基因组工程支撑技术的迅速发展；展望了合成生物学与基因组工程的应用前景，指出合成生物学将比DNA重组技术发展得更快。
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近年来，美国、欧盟不断加大合成生物学领域研究的投入。美国国家自然科学基金(NSF)2006年投入2000万美元资助建立“合成生物学工程研究中心”，由加州大学伯克利分校(UCB)、哈佛大学、MIT、加州大学旧金山分校(UCSF)等共同组建。欧盟于2007年启动了“合成生物学”——新的及刚出现的科学技术引导项目(European Commission project II)，涉及上述报告中各方面的18个项目。
与会专家指出，我国在合成生物学方面的研究还在起步阶段，在生物学相关技术的研究与应用方面，如基因组测序技术、DNA合成技术、基因组改造技术、系统生物学、生物信息学等已经有了许多积累，可以说与发达国家几乎处在同一起跑线上，但是相关研究还较为零散。
重塑生命是核心
美国加州大学物理系华泰立(Terry Hwa)教授做了题为“合成生物学综述”的主题报告。他在报告中强调：“合成生物学的核心是在分子水平上对生命系统进行调控，以满足农业、工业、医药发展的需求。”
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张春霆也表示，合成生物学是人类基因组计划实施以来，基因组学、生物信息学和系统生物学等学科发展的一个合乎逻辑的结果，主要包括两个方面，一是设计和构建新的生物零件、组件和系统；二是对现有、天然存在的生物系统重新设计和改造，以造福人类社会。从生命最基本的要素开始，一步步构建人工生命系统是合成生物学的核心。
合成生物学主要研究四个方面的内容：细胞是蛋白质、核酸与其他分子组成的一个网络，合成生物学首先要研究的是细胞网络；二是研究基因线路；三是合成生物材料与物质；四是研究最小基因组与合成生物。
合成生物学技术包括DNA的合成，来自细菌、酵母及植物等多种基因及代谢途径的组装，多基因的精密调控等。利用合成生物学技术可以合成非天然的氨基酸和碱基，如2003年Schultz小组在大肠杆菌的蛋白质合成系统中引入新的化学成分，从而成功地合成包含非天然氨基酸的蛋白质；2006年Benner小组通过引入新的碱基对，成功发展了人工生命遗传系统。
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抗疟药物青蒿素的微生物工业化合成研究是合成生物学研究的典范之作。华泰立介绍说，虽然已有的生物技术足以将有关代谢途径嫁接到大肠杆菌上，但要达到实用的经济效益，其产量必须提高7个数量级。经过多年的不懈努力，这项科学难题终于在Keasling教授的实验室被攻克。他们对有关代谢途径作了重新设计，解决了天然或非天然代谢物大量积累对寄主的毒性问题，并用变异进化法对改造后的微生物进行优化筛选，最终将青蒿素合成的成本降为原来的1/10。
同样是把“双刃剑”
尽管生物学还是一门相对年轻的研究领域，但人类合成“生命”的脚步从未停止过。1828年Wohler合成尿素；1953年Miller通过放电合成氨基酸；1965年中国科学家合成牛胰岛素；1979年Khorana合成酪氨酸阻遏tRNA基因；1981年中国科学家合成酵母丙氨酸tRNA；2002年Wimmer小组合成脊髓灰质炎病毒(约7400bp)；2003年Venter小组合成噬菌体psiX174(约5400bp)；2008年Venter小组合成生殖道支原体基因组(582.790kb)。
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有专家坦承：“人工合成的生物系统一旦逃逸到自然界，可能会引发生态灾难；恐怖分子可能会利用合成生物学技术制造生物(基因)武器，造成重大人员伤亡。合成生物学的研究比当前的转基因技术、基因工程等更为前卫，产生的社会效益与风险也是一把双刃剑。”
合成生物学的发展已经引起了社会各界的广泛关注，在各种科学刊物及学术会议上有关合成生物学与生物安全、伦理道德及知识产权也是经常讨论的重要议题。2007年6月，多位学者在《自然 生物》(《Nature Biotech》)上发表了题为“DNA合成与生物安全”的文章，提出由合成公司、研究机构及政府管理机构相互配合共同遵守的框架。
张春霆院士提醒说，合成生物学在人类认识生命、揭示生命的奥秘、重新设计及改造生物等方面具有重大的科学意义。基因组测序技术及DNA合成技术正在快速发展，人们认为合成生物学将会像信息技术一样得到迅速发展，并将在能源、化学品、材料、疫苗等医药领域得到广泛应用，具有巨大的社会效益及经济效益。但如果对合成生物学把握不当也会产生负面影响，我们必须早做准备，从开始介入就要在生物安全、伦理、知识产权等方面建立必要的法规和制度，以保证合成生物学健康快速发展。, http://www.100md.com