-生物产业技术
合成生物学:从科学内涵到工程实践——访中国科学院院士赵国屏

——合成生物学逐渐成为国内外的研究热点,请您用通俗的语言给我们介绍一下合成生物学到底是什么?合成生物学发展的技术基础有哪些?
合成生物学从技术层面而言,有很强的工程性。它以合成生命为目标,在系统生物学知识的指导下,以对生命过程进行设计为基础,从认识、鉴定编码生命最基本的基因和调控模块开始,建立合成模块等分子元件并加以准确而有效地组装,最终创造出达到设计目的的新的生命系统。当然,它最实用的方向,并非强调从头合成,而是强调在设计指导下的改造。其主要目标,一方面是希望可以根据人类的意愿从头设计,合成新的生命过程或生命体;另一方面,是利用合成生物学的方法,将“综合、整体”的思路真正引入现代工业生物技术和生物医学领域,通过对现有生物体的有目标的改造,以有助于解决人类发展面临的若干重大挑战,譬如合成新医药材料和新药品、生产生物燃料、清理有毒废物、减少二氧化碳排放等。
开发建立合成生物学所需要的核心工程技术和技术基础,主要包括:①建立微量、高并行和高保真的大片段DNA设计和合成技术,建立优化核酸编码、生物系统工作元件和生物系统调控元件技术,建立新生物功能元件设计制造技术。②建立从单基因到代谢途径的基因全合成及应用的综合生化技术,包括大片段DNA的合成及体外和体内的拼接、超级宿主细胞的构建、异源基因的高效可控表达等技术,实现技术整合。③发展体外蛋白质(从简单domain到复杂复合物)的结构和活力检测技术和蛋白质人工改造的工程技术,建立蛋白质体外人工生物合成体系。④构建代谢网络和调控网络的系统检测和分析、设计技术,逐步发展、改造和设计体内构建系统,基于基因组数据库构建跨物种的生物合成路线数据库,建立合成路线设计软件等。
——发展合成生物学有哪些重大的现实和战略意义?
合成生物学是继系统生物学之后,生物学研究思想在“分析”趋于“综合”、“局部”走向“整体”的认识基础上,上升至复杂生命体系“合成、构建”更高层次;也是继“原位改造与优化”为目的的基因工程技术和以“数据获取与分析”为基础的基因组技术之后,生物技术上升至以工程化“模型设计与模块制造”为导向的更高台阶。
系统生物学是更强调系统、整体的上来看,以分析方法为主,寻找规律、发现规律。合成生物学则采取另外一种观点,首先提出一个目标,如合成一个生命系统、一个细胞、一个分子,然后做这件事情,会发现很多问题,然后去解决这些问题,重新又发现问题,又解决问题,周而复始,做出来后,说明这个系统的问题可以得到解决。系统生物学是“discover”,模拟的是改造生命,合成生物学是“innovation”,设计的是创新生命。
利用合成生物学实现“人造生命”,是通过学科交叉,进一步发展系统生物学的一次科学思维革命,将为生物学基础研究提供崭新的思想武器。利用合成生物学方法和理论,对生命过程或生物体进行有目标的设计、改造、乃至重新合成,创造解决生物医药、环境能源、生物材料等问题的微生物、细胞和蛋白(酶)等新“生命”,可能带来新一轮技术革命的浪潮,对于解决国计民生相关的重大生物技术问题有着长远的战略意义和现实的策略意义。它有助于人类应对社会发展种面临的严峻挑战,从而根本上改变经济发展模式,在带来巨大社会财富的同时,促进社会的稳定、和谐发展。
——合成生物学需要解决的关键科学问题和研究方向是什么?
合成生物学需要解决的关键科学问题包括:①生物功能元件的测试、鉴定和标准化;②细胞工厂的设计和构造原理;③分子机器的设计和合成原理。其研究方向是:通过综合交叉基因组学、生物化学、生物物理和生物信息的技术和理论,建立合成生物学关键技术平台和研究体系,发展“合成生物学”的创新理论和工程技术方法。
合成生物学研究重点,包括合成与改造两个方面,但都趋向“设计和合成”的共同点。针对我国在能源、环境、健康等方面的需求与挑战,要聚焦若干重要的生物学体系,实施面向生物医药、生物能源和生物基产品等重要生物产品的合成生物学理论与技术的基础研究,设计并合成相关的细胞工厂和分子机器。在具体实施中,一方面要建立合成生物学工程技术平台和研究实验体系,实现关键工程科学问题的重大突破,另一方面要揭示细胞工厂和分子机器的运行机理和构造原理,实现优化设计,提高元件、网络的合成能力和调控能力,实现in silicoin vivo进化的结合,尽早拿出实在的成果来。
——目前在合成生物学领域研究情况如何?
我国科学工作者自20世纪70年代以来大力推进基因工程、蛋白质工程和代谢工程等技术的发展。近10年,又启动了基因组和生物信息的研究以及系统生物学的研究工作。因此,我们有条件及时进入合成生物学的研究领域,发展合成生物学技术,服务于我国生命科学和社会经济的发展。但是,合成生物学并非简单的生物技术或生物工程的延伸,它需要有集中的、系统的和特色的研究与发展。迄今为止,由于资源分散、理论创新和技术整合不足,我国尚无系统的合成生物学研究,长期以来也缺乏专门从事合成生物学研究的实验室,真正意义上的合成生物学研究基本上尚处于起步阶段。
——请您展望一下合成生物学的应用前景。
今天,我们既要看到合成生物学的科学意义,更要看到其工程技术意义,还要看到它的产业意义。举例来说,过去,人们一般在体外改造抗生素,而有了合成生物学,我们就可以实现抗生素在微生物体内改造,甚至设计生产一些以前没有的化合物,为人类服务。
合成生物学将逐步在工业上被成熟应用,由此影响能源、材料和化学品(包括药物)的研究和开发;将有力地影响对植物和动物生命过程规律的研究,特别是在干细胞研究中发挥重要作用,影响人类的健康事业;还可能改变农业和生态环境工程的技术能力,保护人类的生存环境。合成生物学还是人类攻克生命起源和生物进化等根本性难题的最有效武器之一。从这些意义上说,未来合成生物学带给人类的,将是一个实实在在的科学革命。
 

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