2011-05-15 12:39:18| 分類(lèi)： 科普原創(chuàng ) | 標簽：生物學(xué) 合成 基因組 生物技術(shù) 倫理 |字號大中小 訂閱
合成生物學(xué)指引我們向何方？
文/奇 云
合成生物學(xué)（Synthetic biology）真正進(jìn)入大眾視野，緣于2010年首個(gè)人造單細胞生物“辛西婭”（Synthia）的誕生。這是第一個(gè)由人類(lèi)合成并能自我復制的新物種，它在給公眾帶來(lái)驚嘆和恐慌的同時(shí)，也讓合成生物學(xué)迅速成為媒體和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。
世界首個(gè)“人造生命”“辛西婭”
后基因組時(shí)代生命科學(xué)研究的新領(lǐng)域
合成生物學(xué)是一門(mén)建立在系統生物學(xué)、生物信息學(xué)等學(xué)科基礎之上，并以基因組技術(shù)為核心的現代生物科學(xué)。雖然“合成生物學(xué)”一詞1911年就在著(zhù)名科學(xué)刊物《科學(xué)》（Science）和《柳葉刀》（The Lancet）等雜志上出現過(guò)，但許多學(xué)者認為，合成生物學(xué)成為一門(mén)真正的學(xué)科始于2000年。比起當前的轉基因、基因工程等技術(shù)，合成生物學(xué)的研究更前衛，代表了下一代生物技術(shù)。
繼系統生物學(xué)之后，生物學(xué)研究思想在“分析”趨于“綜合”、“局部”走向“整體”的認識基礎上，上升至復雜生命體系“合成、構建”的更高層次；也是繼以“原位改造與優(yōu)化”為目的的基因工程技術(shù)和以“數據獲取與分析”為基礎的基因組技術(shù)之后，生物技術(shù)上升至以工程化“模型設計與模塊制造”為導向的更高臺階。
進(jìn)入后基因組時(shí)代以后，集成系統生物學(xué)思想的合成生物學(xué)應運而生，它綜合了生物化學(xué)、生物物理和生物信息等技術(shù)，利用基因和基因組的基本要素及其組合，設計、改造、重構或是創(chuàng )造生物分子、生物體部件、生物反應系統、代謝途徑與網(wǎng)絡(luò )乃至具有生命活力的生物個(gè)體。
雖然合成生物學(xué)的基礎就是以基因組技術(shù)為核心的生物技術(shù)，類(lèi)似傳統生物技術(shù)的工程化；但是，它并不局限于傳統生物技術(shù)那種對基因理性組合的模擬，而是一種能從頭合成復雜生命的可驗證技術(shù)。合成生物學(xué)與目前基因工程和生物技術(shù)方法的關(guān)鍵區別，就是其將工程設計和開(kāi)發(fā)的方法應用于生物技術(shù)。這種方法的實(shí)質(zhì)就是為了設計出滿(mǎn)足某些特性的產(chǎn)品，對每一個(gè)部件、裝置或系統的特性進(jìn)行規范。在構建過(guò)程中，系統常常是利用標準的裝置建造的，而這些裝置則是由標準的部件制造的。標準的部件和裝置具有復雜系統建造所需的全部特征。因此，合成生物學(xué)含有三個(gè)基本要素：第一是采用從自然界分割出來(lái)的標準的生物學(xué)元件，可被修飾、重組乃至創(chuàng )造的元件。第二，是依據基因組和系統生物學(xué)的知識進(jìn)行理性的重組、設計。第三，是采用現代生物技術(shù)和相關(guān)物理、化學(xué)技術(shù)，人工建造優(yōu)化的生物系統，乃至獲得新的生命（生物體）。合成生物學(xué)的發(fā)展主要涉及4個(gè)重要技術(shù)：首先是測序。有了測序技術(shù)的發(fā)展，了解了原有系統才能更好地設計新的系統。第二步就是計算機模擬建模。了解了整個(gè)生命系統的構成，對生命系統有一個(gè)系統認識后，通過(guò)計算機模擬建模分析，編制科學(xué)家想要實(shí)現的新的生命體系。第三步就是從無(wú)到有獲得新的基因。最后是通過(guò)移植技術(shù)獲得新的生命細胞。合成生物學(xué)既是多學(xué)科的交叉綜合，又是充滿(mǎn)挑戰和機遇的創(chuàng )新研究。
合成生物學(xué)發(fā)展的誘人前景
合成生物學(xué)的進(jìn)展雖然還沒(méi)有出現像克隆羊“多莉”問(wèn)世那樣轟動(dòng)的成果，但其長(cháng)遠的影響卻可能超越克隆技術(shù)。2004年，合成生物學(xué)被美國麻省理工學(xué)院出版的《技術(shù)評論》（Technology Review）雜志評為“將改變世界的10大新出現的技術(shù)”之一。2010年12月，美國《科學(xué)》雜志評出的十大科學(xué)突破，合成生物學(xué)排第2位。英國《自然》雜志盤(pán)點(diǎn)出2010年12件重大科學(xué)事件，合成生物學(xué)排第4位。此外，《科學(xué)美國人》的2010年十大科學(xué)新聞、《時(shí)代》周刊的十大醫學(xué)突破、《國際財經(jīng)日報》的十大科學(xué)發(fā)現、我國《科技日報》的國際十大科技新聞均包括合成生物學(xué)。2011年1月，《自然》雜志預測的“2011年13件重要發(fā)現及事件”中，也包括合成生物學(xué)。
合成生物學(xué)目前的發(fā)展態(tài)勢與計算機產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期有許多相似之處，未來(lái)的影響可能會(huì )與計算機曾給人類(lèi)社會(huì )帶來(lái)的影響相仿。由于仍處于發(fā)展早期，合成生物學(xué)的未來(lái)具體應用領(lǐng)域尚難準確預料。時(shí)下較為普遍的看法是，它在醫學(xué)、制藥、化工、能源、材料、農業(yè)等領(lǐng)域會(huì )大有用武之地。
在能源領(lǐng)域，合成生物學(xué)可以用于生物燃油開(kāi)發(fā)?？茖W(xué)家們正在利用生物技術(shù)與合成生物學(xué)工具解決生物燃油生產(chǎn)工藝過(guò)程中的一些問(wèn)題，包括開(kāi)發(fā)出人工合成細菌，讓它可以將糖類(lèi)直接轉化成與目前使用的燃油兼容的生物燃油。研究證明，由13個(gè)酶組成的合成酶途徑，可以由具有高能量密度載體的淀粉及水在溫和的反應條件下，高效低成本地生產(chǎn)氫氣。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展及與燃料電池的集成，該技術(shù)也有望解決與氫氣的儲存、銷(xiāo)售相關(guān)難題，因而在汽車(chē)領(lǐng)域應用潛力巨大。
在醫療和制藥領(lǐng)域，一些科學(xué)家正在嘗試用合成生物學(xué)手段開(kāi)發(fā)新的藥物。合成生物學(xué)家們已經(jīng)制造出成千上萬(wàn)種可編程的生物零件，一些基因部件可以被撮合到一起，執行比較復雜的任務(wù)。相比于傳統的制造工序和原材料，生物零件預期具有巨大的優(yōu)勢。生物零件可以制造出任何能夠想象出來(lái)的醫學(xué)藥品，包括那些用傳統化學(xué)無(wú)法制造出來(lái)的或今天價(jià)格奇貴的藥品。例如，美國加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)工程系教授、勞倫斯國家實(shí)驗室合成生物學(xué)中心主任凱瑟林(Keasling)利用來(lái)自細菌、酵母及植物(青蒿Artemisia annua)等進(jìn)行多種基因及代謝途徑的組裝、多基因的精密調控，改造后的菌株使青蒿素的前體物質(zhì)———青蒿酸的合成能力大大提高，從而可望以低成本生產(chǎn)抗瘧疾藥物，用于第三世界地區的疾病治療。為了盡快使研究成果產(chǎn)業(yè)化，他們還專(zhuān)門(mén)建立了新的公司，用合成生物學(xué)技術(shù)進(jìn)行抗瘧疾藥及生物能源的生產(chǎn)。由于在生物合成抗瘧疾藥物的突出成就，凱瑟林被美國《發(fā)現》（Discover）雜志評選為2006年度最有影響的科學(xué)家之一。還有一些科學(xué)家在嘗試制造可專(zhuān)門(mén)殺死癌細胞的微生物，這些微生物進(jìn)入人體后會(huì )找到并釋放藥物殺死癌細胞，完成任務(wù)后又能夠自身溶解。紫杉醇是一種強效抗癌藥物，化學(xué)合成法需要51個(gè)步驟。美國麻省理工學(xué)院（MIT）化工系格雷格里·斯特凡諾普洛斯（Gregory Stephanopoulos）研究組，利用大腸桿菌合成紫杉醇。他們將紫杉烯代謝途徑分成兩個(gè)模塊：一個(gè)是大腸桿菌自身生成的異戊烯焦磷酸的上游模塊，另一個(gè)是異源的下游萜類(lèi)化合物形成模塊。用一種多變量模塊化的代謝途徑工程方法，通過(guò)調整模塊中各種基因元件的表達水平，減少中間物抑制物吲哚的累積，使得兩個(gè)模塊能很好平衡匹配，結果成功地使紫杉二烯（紫杉醇的前體物）的產(chǎn)量達加到1克/升，與改造前菌株制相比，提高了15 000倍！這種模塊化的途徑工程方法，為紫杉醇及萜類(lèi)天然產(chǎn)物的大規模生產(chǎn)奠定了基礎。
有了合成生物學(xué)工程化的設計理念，同時(shí)利用標準化的生物零件，如各種蛋白質(zhì)編碼基因和啟動(dòng)子等，合成生物學(xué)工程師就可像電氣工程師設計電路一樣，設計各種各樣的基因線(xiàn)路，以實(shí)現各種特定的功能?；蚓€(xiàn)路是合成生物學(xué)的重要組成部分，這些研究不僅可更深入地了解生命的構成方式和調控原理，還可設計具有所需功能的基因元件，進(jìn)而構建合成生物系統。另外，基因線(xiàn)路的研究也是進(jìn)行生物分子計算的基礎。已設計并構建成功的基因線(xiàn)路的數量相當之多，并迅速增長(cháng)，其中包括用于細菌計算機和微量砷檢測等的基因線(xiàn)路。理論上講，可能設計出的基因線(xiàn)路種類(lèi)之多是難以估量的。
克雷格?文特爾和他的合作伙伴1978年諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎獲得者漢米爾頓?史密斯
多年來(lái)，美國私立科研機構克雷格·文特爾研究所（John Craig Venter Institute，縮寫(xiě)為：JCVI）的科學(xué)家一直在進(jìn)行合成基因組的工作。2007年，將蕈狀支原體的整個(gè)基因組分離為“裸露”的DNA 并將其移植到山羊支原體中，實(shí)現了在細菌中的基因組移植：將一種物種變?yōu)榱硪环N物種。2008年，在酵母中得到完全的化學(xué)合成、組裝、克隆的生殖支原體基因組，這是第一個(gè)人工合成的細菌基因組。2009年，為了進(jìn)一步利用酵母中的細菌基因組來(lái)構建活的微生物細胞，實(shí)現了基因組從酵母到其他物種的高效轉移，打通了人工合成細胞的最后一步。2010年，他們報告了從數字化的基因組信息開(kāi)始，設計、合成和組裝了一個(gè)具有1.08兆個(gè)堿基對的蕈狀支原體基因組，將其移植進(jìn)一個(gè)山羊支原體受體細胞，從而創(chuàng )造了一個(gè)僅由合成染色體控制的新的蕈狀支原體細胞。新細胞內僅有的DNA具有預期設計合成的DNA序列的表型性質(zhì)，有連續自我復制的能力。文特爾等將新細胞命名為“辛西婭”。今后，在“辛西婭”的基礎上，“合成細胞”會(huì )進(jìn)一步進(jìn)行。在原有基因組基礎上，通過(guò)增加或減少基因組的組成，了解新“合成細胞”的功能，從而獲得組成生命的基本知識，為將來(lái)真正“自下而上”從頭設計生命奠定基礎。
當前，合成生物學(xué)的產(chǎn)業(yè)化應用已經(jīng)初現端倪。2010年7月，美國的《研究與市場(chǎng)》預計，到2015年合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)將超過(guò)45億美元。2010年7月，?？松梨诠九c文特爾的合成基因組公司簽訂了進(jìn)一步合作的協(xié)議，將投入6億美元進(jìn)行微藻生物燃料的研發(fā)。2010年12月，《工業(yè)生物技術(shù)》雜志刊登了排名前10位的風(fēng)險投資支持的生物技術(shù)公司，其中大量的創(chuàng )投資金投資于生物燃料方面的合成生物學(xué)公司。美國生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)組織發(fā)表報告介紹合成生物學(xué)目前在化學(xué)品和醫藥中的應用，涉及的產(chǎn)品包括：生物柴油、生物異戊二烯、生物丙烯酸、生物表面活性劑、生物己二酸、生物可降解塑料、西他列?。á蛐吞悄虿∮盟帲┑?，其中多項技術(shù)獲得2010年美國總統綠色化學(xué)挑戰獎。合成生物學(xué)的基礎研究催生了許多研發(fā)性的合成生物學(xué)公司，為合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了很好的技術(shù)平臺，加快了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。目前，所研發(fā)的產(chǎn)品大都完成中試，有的已與大公司合作進(jìn)行工業(yè)化。據報道，美國兩家企業(yè)已開(kāi)始使用人工細菌生產(chǎn)生物燃料，全球制藥巨頭賽諾菲－安萬(wàn)特公司已經(jīng)獲準使用合成生物學(xué)改造的啤酒酵母生產(chǎn)青蒿素。
克雷格?文特爾和他的合作伙伴
合成生物學(xué)的安全、道德與倫理問(wèn)題
由于合成生物學(xué)旨在改造生命和創(chuàng )造生命，打破了“自然”和“非自然”的界限，就必將在社會(huì )上引起有關(guān)倫理道德的困惑與爭論。在合成生物學(xué)發(fā)展的這幾年時(shí)間里，在各種科學(xué)刊物及學(xué)術(shù)會(huì )議上，有關(guān)合成生物學(xué)與生物安全、倫理道德的話(huà)題也是經(jīng)常討論的重要議題。
有關(guān)合成生物學(xué)的倫理爭議大多集中在兩種觀(guān)點(diǎn)上：一是合成生物學(xué)家人工制造自然界中沒(méi)有的生命，違背了上帝有關(guān)生命法則的旨意以及順應自然發(fā)展規律的倫理；二是合成生物學(xué)家人工合成生命違背了尊重生命的倫理原則。首先，有關(guān)宗教倫理的爭論存在于許多學(xué)科中，而科學(xué)家們做合成生命研究的出發(fā)點(diǎn)是利用人造生命來(lái)造福人類(lèi)，因而似乎沒(méi)有必要用嚴格的宗教倫理來(lái)要求生物學(xué)家。其次，尊重生命并不意味著(zhù)我們對地球上任何生命形式都不能利用和改造。泛人類(lèi)中心主義立場(chǎng)把尊重人的生命看成是最高的倫理原則，是倫理學(xué)的底線(xiàn)，即我們只能把人看成是目的而不是手段，不能把任何生命形式都看成是目的而不是手段。在生命科學(xué)研究中，采用這種觀(guān)點(diǎn)似乎更合理一些。
從理論上來(lái)說(shuō)，用合成生物學(xué)可以制造出比目前人類(lèi)已知的病毒和細菌更具毒性、更具傳染性、更具耐藥性的新品種，可能會(huì )對人類(lèi)造成許多潛在危害。例如，合成生物體被有意或無(wú)意地排放到環(huán)境中后，可能因其具有嶄新的結構而在自然選擇中獲得優(yōu)勢而無(wú)限增值，或與其他微生物發(fā)生相互作用造成合成基因污染自然界的基因庫。當前，人們最大的擔憂(yōu)在于：一旦合成生物學(xué)的方法趨于成熟并予以推廣，生物恐怖主義分子完全有能力制造出致命微生物，例如埃博拉病毒、天花病毒和一些目前人們擁有的藥物均無(wú)法消滅的的病毒。
合成生物學(xué)就因其利弊相兼而引起廣泛爭議。由美國彼得·哈特研究協(xié)會(huì )和伍德羅·威爾遜中心共同進(jìn)行的民意調查顯示，66％被調查者認為，應該推動(dòng)合成生物學(xué)的研究，但34％的人要求禁止這一學(xué)科，起碼不要在不了解其可能引起的不良后果時(shí)從事這方面的研究。在對合成生物學(xué)心存疑慮者中，27％的人擔心恐怖組織會(huì )利用研究成果發(fā)展生物武器；25％的人擔心合成生物學(xué)產(chǎn)生的人造生命會(huì )破壞倫理道德；23％的人擔心這些研究會(huì )對人們健康產(chǎn)生負面影響；13％的人擔心環(huán)境會(huì )因此受到破壞。調查還發(fā)現，一半以上的被調查者希望美國政府制定嚴格措施，以規范合成生物學(xué)研究。
2010年5月27日，美國眾議院能源和商務(wù)委員會(huì )專(zhuān)門(mén)就合成生物學(xué)舉行了聽(tīng)證會(huì )。聽(tīng)證會(huì )最終得出的結論是，合成生物學(xué)技術(shù)目前還不會(huì )引起環(huán)境、安全及倫理方面的擔憂(yōu)，但需要關(guān)注其發(fā)展。參與聽(tīng)證的科學(xué)家認為，如果提供良好的監管環(huán)境，合成生物學(xué)合成生物學(xué)有著(zhù)巨大的社會(huì )效益及經(jīng)濟價(jià)值，必將在能源、環(huán)境、化工、材料、醫藥等領(lǐng)域得到廣泛應用。
2010年12月，美國生物倫理研究委員會(huì )發(fā)表了《新方向：合成生物學(xué)和新出現技術(shù)的倫理》的研究報告。報告指出：在看到合成生物學(xué)提供的美好前景的同時(shí)，也要特別認真應對潛在的風(fēng)險，要做負責任的管理者，周到地考慮對人類(lèi)、其他物種、自然界及環(huán)境的影響。報告的發(fā)表得到了美國學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、公眾及媒體的廣泛認可。
文特爾在自己新合成的生命里加入四條水印
科幻作家筆下的合成生物
聯(lián)系客服
