-生物产业技术
加强合成生物学研究  发展生物产业——访中国科学院上海生命科学院杨胜利院士

 
合成生物学是生物科学在21世纪刚刚出现的一个分支学科,其目的在于设计和构建工程化的生物体系,使其能够处理信息、加工化合物、制造材料、生产能源、提供食物和处理污染等,从而应对人类社会发展所面临的挑战。合成生物学的发展将推动生物产业成为新的增长点。那么,如何结合我国的研究基础制定合成生物学发展路线图?目前我国应加强和优先突破合成生物学研究哪些领域?如何指导我国合成生物学健康有序发展?为此,中国科学院上海生命科学院杨胜利院士于紧张的会议期间接受了《生物产业技术》杂志的独家专访。
 
《生物产业技术》:作为一门新生的学科,请您简单介绍一下合成生物学发展历程。
    杨院士:合成生物学是生命科学的一个新分支,它与系统生物学是密切相关的。生命科学研究经历不同的发展阶段,最早的生物学我们现在叫宏观生物学,包括分类、形态,随着科技水平的提高,从宏观逐步转向微观,逐渐从机体、器官、组织、细胞到基因、蛋白质。20世纪50年代,沃森和克里克提出DNA双螺旋模型,是生命科学进入分子生物学时代的一个标志。在世纪之交,科学家完成了一个伟大的工程——人类基因组测序计划,有力地推动了分子生物学时代向系统生物学时代转变。系统生物学使生命科学的理念和方法发生巨大的变化,系统生物学把系统学、数学、信息学等科学和技术整合到生命科学,用以构建生命活动的网络和数学模型,为合成生物学打下了坚实的知识基础。简单地讲,系统生物学使生命科学系统化,而合成生物学使生命科学工程化,这是在生命科学发展过程中两个重要里程碑,长期以来生命科学是实验性科学,由实验科学到工程科学对生物学家是一个很大的挑战。大家都知道,电子技术最基本的元件包括电阻、电感、电容,可用这三种元件构建各种功能模块,即集成电路,然后根据设计组装各种各样的机器。合成生物学的基本工作模式是借鉴电子技术的模式把生命的元件——基因,标准化后用以构建各种功能模块,然后组装成生物机器,合成生物学的最终目标是要合成各种各样自然界没有的新生命体。
《生物产业技术》:结合国际合成生物学发展动态及我国现有研究基础,设计出我国合成生物学发展的路线图,有哪些重要的现实意义?
杨院士:合成生物学发展路线图将集中这个领域及相关领域的科学家的智慧,研讨并编写我国合成生物学发展的目标、战略、框架、主要研究领域和产业及其发展的时间表。合成生物学的路线图与其他生命科学的路线图相比更应体现预测科学、工程科学的理念,并与产业发展有更高的关联度,以推动我国合成生物学和生物技术产业的发展。
《生物产业技术》:在推动我国合成生物学发展过程中,在底盘生物以及合成元件的选择和研究方面,您有哪些好的建议?
杨院士:底盘生物的选择,基本上趋向于和应用目标结合。工业微生物产业里常用的一些工业菌株可作为候选对象,例如作为基因工程蛋白生产主要体系的大肠杆菌、生产抗生素主要体系链霉菌、生产氨基酸的棒状杆菌、在环境治理方面具有诸多降解酶的假单胞菌等都是可以考虑作为底盘生物。根据应用目标的需要以及技术的可行性,包括其基因组序列及注释、组学研究、生理、生化研究和基因操作工具等选定底盘生物。
目前元件主要包括两类,一类是细胞生命活动必需的元件、一类是产品导向的元件和模块,即要生产哪些产品需要哪些元件和模块,通用的元件和产品导向元件在底盘细胞上组装成一个细胞工厂。在元件方面,除了通过元件、模块的标准化,还需要加强适配性的研究,使元件具有通用性,能装配到各个底盘细胞里。
《生物产业技术》:目前我国应在现有的研究基础上对哪些领域进行优先突破?
杨院士:我国生物技术产业的规模很大,基础相对还是比较好的,但在创新能力和技术水平方面与发达国家仍有差距,因此我们常说我国是生物技术产业大国,但还不是强国。国际科技界普遍认为合成生物学是生物技术的未来,将重塑生物技术产业,因此又好又快发展合成生物学的研究和应用是我国生物技术产业由大国变为强国的关键。我国在工业菌株的分离、高产菌株的诱变和选育、基因工程、蛋白质工程、代谢工程和过程工程等研究方面都有较好基础,但整体处于跟踪水平。近五年合成生物学研究取得了较快进展,但还处于起步阶段,我国科学家积极参与了国际竞争。”973”计划也率先支持了合成生物学与细胞工厂的研究。
合成生物学将首先在工业生物技术产业得到广泛应用,包括生物基化工品和药品、生物材料、生物燃料等,这个领域应用的特点是与传统技术的有机结合和通过各种新技术的应用进一步提升和优化。
在农业方面,转基因作物研究显著提高了作物抗病虫害能力,合成生物学将重点冲击植物的光合作用机器和固氮机器,以提高光合和固氮效率;提高作物的抗逆能力也将是合成生物学研究的重点,设计和合成抗干旱、抗盐碱的作物,以利用非耕地和逆转沙漠化;能源作物是在前两项研究基础上开拓的新领域,将推动生物能源产业的发展。
在环境方面,合成生物学在技术层面可能要进入一个更高的层次,因为通过基因工程能把很多降解基因导入到一个微生物,但往往在持续有效地的工作方面尚有一定的难度,在自然环境里,微生物的整治通常是通过混合菌群来完成的,元基因组和合成生物学研究是提升和优化生物整治的有效技术;生物传感器将在环境的监控中得到广泛应用
医药生物技术产业是生物技术产业的先导,合成生物学将不仅用于提升现有产业而且开拓新生长点,加速医学进入预测医学、预防医学、个性化医学、参与医学的时代。各种芯片、生物传感器、基因机器将是合成生物学研究的重点,生物传感器与无线通讯工具的偶联将有效地提高疾病防控的能力。
除了这些,合成生物学将开拓新的产业,例如生物电池、生物计算机等产业,尽管目前我们的想象力还十分有限,但是发展空间是巨大的。
《生物产业技术》:合成生物学已经引起社会广泛的关注和讨论,其涉及生物安全、道德伦理以及生态问题,不少科学家对合成生物学潜在风险表示担忧,您是如何看待这个问题的?
杨院士:技术水平越高,风险也越大。工业菌种及高产菌株的选育,是在特定的菌种里进行的,没有太多生物安全问题,但是基因工程的出现引起了很大的争议,因为具有常规育种欠缺的定向改造基因和基因跨物种转移能力, 合成生物学的最终目标是设计和合成新生物体,因此合成生物学的能力和潜在风险是以往任何生物技术无法比拟的,随着合成生物学研究和应用的进展适时地制定相应的政策和法规将是合成生物学健康发展的保证,但光有政策和法规还不够,必须加强伦理道德教育和做好科普工作。
 

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