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合成生物学面临的问题

信息来源: 发布时间:2013-5-29

      如今的合成生物学正成为各国争抢的科技高地。2012年11月,英国政府宣布,将向相关研究机构提供2000万英镑资金,发展合成生物学技术,鼓励合成生物学技术商业化。今年2月,科学家开发出一种新方法,可以将微生物工厂新组件的制作时间从原来的2天缩短为6个小时,向着新工业革命又迈进了一步。

但理想很丰满,现实很骨感。那么,“造物”何以成为可能?能为我们带来什么?还有哪些挑战?

何以可能

“合成生物学的提法已出现了一百多年,但真正实现突破则是最近10年的事。”科技部基础研究司司长张先恩说。

所谓合成生物学,即综合利用化学、物理、分子生物学和信息学的知识和技术,设计、改造、重建或制造生物分子、生物体部件、生物反应系统、代谢途径和过程,乃至细胞和生物个体。

其中,美国生物学家文特尔是最具标志性的人物。他于2010年在实验室中重塑“丝状支原体丝状亚种”的DNA,并将其植入去除了遗传物质的山羊支原体体内,创造出历史上首个“人造单细胞生物”。此前,这位科学奇才已在合成生物学研究领域获得了一系列突破。

当然,合成新的生命并非个人英雄主义行为。文特尔们能够成功有赖于一系列技术的支撑。

中科院《2013年高技术发展报告》指出,DNA测序技术、DNA合成技术和计算机建模是支撑合成生物学发展的关键技术。

近年来,大量物种的全基因组测序,为合成生物学家构建功能组件的底盘生物体系提供了丰富的遗传信息。快速、廉价的测序技术也促进了新的系统和物种的识别和解析。

随着DNA合成技术的快速发展,生命体系合成对象已从原核生物发展到酵母等真核生物。

相比于其他工程领域的研究对象,生命体是高度动态、灵活、非线性、不可预测的。“因此,在如此复杂的生命体系中以工程化的设计,获得特定的生物器件或人工生命系统,既是合成生物学的核心科学问题,也是复杂的技术问题。”中科院院士、国家人类基因组南方研究中心执行主任赵国屏作为第一作者在《合成生物学技术新进展》一文中表示。

据了解,研究人员正在采用系统建模和仿真技术开展合成生物学研究。例如,美国能源部联合生物能源所开发的计算机辅助设计模型和模拟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达。

此外,标准生物元件库的建设与底盘生物的构建也促使创造生物的阳光逐渐照进现实。

“合”以致用

合成生物学之所以令科学家如此兴奋,也是因其巨大的现实意义。“它对整个生物技术产业都会有很大影响。”中国工程院院士杨胜利说。

“合成生物学对于我们的人口健康、国家安全、可持续发展而言都是很关键的技术平台。”杨胜利表示,“生物化学、分子生物学、代谢工程等通过合成生物学工程化的手段,可以转化为各种各样的应用,例如生物传感器、石化产品、材料、药物、农业和再生医学等,全方位地推动生物产业的发展。”

为突破资源环境对经济发展的制约,以生物基产品替代石油基化工产品已成为国际竞争的新热点。

随着合成生物学与人工生物合成技术的发展,人们将像合成化学品一样,根据需要设计、重组并优化新的生物合成途径,生产出各种各样的化合物。

加利福尼亚大学的柯斯林实验室,通过对来自巨大芽孢杆菌的细胞色素酶进行改造,实现了青蒿素的半生物合成。该实验室利用合成的蛋白脚手架,将与代谢途径相关的酶类在空间上相连接,优化了代谢通量,使产物的生产率显著提高。

近年来,壳牌、巴斯夫、拜耳等跨国公司斥巨资发展生物化工产业。一批中小型生物技术公司在风险投资的支持下,也建立了很多新的化学品和药物化合物的生物合成途径,并开发出相应的生物制造技术。此类合成生物相关研发产品分布在化学、医药、能源、食品等多个领域。

何为瓶颈

合成生物学的应用前景虽然壮阔,但前路并非坦途。

据杨胜利回忆,有一次,工程院讨论什么是工程科学领域具有颠覆性的技术,杨等人提议合成生物学。时任中国工程院院长徐匡迪问杨胜利,合成生物学到底怎么做?杨胜利说,其目标就像电子工业一样,用元件、模块组装成各种生物。徐匡迪反问,生物是活的,能不能做到?

“这就是合成生物学最大的挑战。”杨胜利说。

生物要像机器一样可以“组装”,那么必须解决元件的标准化和适配性问题。

杨胜利表示,目前生物元件还未实现标准化,功能和稳定性难以预测,对其复杂性的理解也远远不够,诸多元件之间尚无法匹配,这些都成为合成生命个体的困难。

张先恩认为,突破上述瓶颈的另一大挑战便是合成基因的成本问题。“人类基因组计划完成以后,目前基因测序的成本已下降到过去的一百万分之一,但合成基因的成本下降并不多。成本的下降有赖于合成技术方法的突破。”

此外,合成生物学还面临伦理、安全、法律等方面的问题。杨胜利呼吁,合成生物学一定要吸取转基因技术推广过程中的教训,将安全性、伦理学问题放在产业发展的前面进行先导性的研究,监管也应同时跟上。

对于我国合成生物学研究亟待解决的问题,张先恩指出,在研究思路上,我国还限于传统生物技术的模式而不是合成生物学方法来考虑问题,因此在解决问题的系统性、效率方面有差距;在人才方面,工程、计算机、物理学背景的科研人员介入不够,主要还是生物学家在操作;在研究工具方面,主要方法、技术仍然是国外的,缺少自主创新;在资助体系上,企业来源少,国家财政投入渠道多但缺乏分工,总体资源不足。

对于我国合成生物学的发展路线,他表示,工业生物技术是合成生物学的火车头,我国合成生物学以工业生物技术为开端,逐渐渗透到医学、农业、能源等领域。目前科技部已会同相关机构商讨制定我国的合成生物学发展路线图,正在对其进行完善和明确分工过程。


 

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