合成生物学的诱惑

尽管还有不少技术难题需要攻克，但是科学家们已经被合成生物学的前景深深吸引住了。确实，从目前的进展来看，合成生物学太具诱惑力了：科学家们已经利用化学方法成功“造”出新的生命体。这意味着，未来某一天，人类可以根据需要来“创造”各种各样的生物。   

     

实际上，造物的冲动一直在人类脑海中盘旋冲撞。早在公元前400多年前，公输班，亦即土木工匠们的祖师，已经进行仿生机械的实验。《墨子》记载说：鲁班先生用竹木掏腾成一只“鹊”，能在天上扑腾个三两天。不过，历史家们说，这只是“鹊”样的风筝。   

     

而在合成生物学科学家们的远景中，完全可以用人工的方法造出一只有血有肉、五脏俱全的“鹊”。它不仅和自然界的“鹊”一模一样，而且还可以拥有人类附加给它新的特征。   

     

当然，要做到这一步还为时尚早。目前科学家们已经能用化学方法合成DNA，并将其装配成完整的基因组，进而将该基因组植入某个被“掏空”了基因组的细胞内，结果该细胞能够正常生存和繁殖。这一里程碑式的事件见诸2010年5月份Scinece杂志的报道，这一工作由美国生物学家克雷格文特尔（J.Graig  Venter）等人完成。   

     

对于合成生命来说，上述进展仅仅是万里长征的第一步。毕竟，除了基因组之外还有很多蛋白质等多种成分并非人工合成的。而且在短期内，似乎也还没有合成此类物质的能力。但是，近些年来合成生物学的诸多进展使得科学家们坚信，合成生命不是神话，而是即将来临的事实。   

     

从理论上说，这确实不成问题。如果我们对某个生物的个体、器官、组织直到各种细胞和分子的所有细节都一清二楚，并且对它们的工作原理也了如指掌。那么，根据这些知识来构建一个人工的生物系统应该是顺理成章的事情。进一步来说，构建人工生物系统的过程也有助于更好地理解天然的生物系统。   

     

这实际上也是合成生物学科学内涵的通俗解释。它最终目标就是设计并合成具有预期功能的基因片段，将其组建成系统，并在适当的“底盘”细胞中发挥作用，通过人工设计和构建自然界中不存在的生物系统以解决能源、材料、健康、环保等问题。   

     

其研究策略则可分为自上而下法（top-down  approach）和自下而上法（bottom-up  approach）。自上而下法强调，利用合成生物学对现有生物或基因序列进行重新设计，以去掉不必要的零件，或取代、添加特定的零件。自下而上法则更加雄心勃勃——利用非生命组分作为原材料来构建生命系统。   

     

比较而言，自下而上法面临的挑战非常大，突出的工作是构建具有各种功能的标准零件、基因调控线路及装置。目前还没有一个完全真正的人造细胞诞生。   

     

虽然研究策略各有侧重，但它们都有着共同的目标：工程化设计特定的生物功能，使其具有可预测性及可靠性。科学家们正在将这两种策略融会贯通。   

     

就是这样的一门学问，正在科学领域、技术领域及产业领域掀起了一场风暴。2010年12月，Science杂志评出十大科学突破，合成生物学排在第2位。Nature杂志盘点2010年12件重大科学事件，合成生物学排在第4位。今年1月份，Nature杂志预测2011年13件重要发现及事件也将合成生物学纳入其中。   

     

对于合成生物学可能带来的变革，2009年12月期《自然·生物技术》社论指出：合成生物学通过计算机设计，用4瓶化学品（A、G、T和C四种核苷酸）进行基因合成，然后“即插即用”到具有最小化基因组的底盘生物中，可以想象我们在将来能够毫不费力地创造不同形式的生命，这项突破性的技术具有改变生物工程的潜力。   

     

“总的来说，合成生物学给未来指明了一条提高工业生物技术竞争力、降低生物制药成本、改造生命体的可能的道路。”清华大学生命科学学院教授陈国强说。   

     

目前，合成生物学已经在生物医药、生物能源、化工品、环保领域施展拳脚。美国加州大学伯克利分校教授Keasling  JD有关抗疟药物青蒿素微生物工业化合成的研究工作堪称合成生物学研究的典范之作。   

     

青蒿素是中国人首先发现的抗疟疾良药，其发现者屠呦呦最近获得了2011年度拉斯克奖临床医学奖，获奖理由是这一发现挽救了全球数百万人的生命。不幸的是，野生青蒿的青蒿素含量普遍过低，导致从植物提取青蒿素成本高，产量低，供不应求。   

     

Keasling  JD研究组通过大肠杆菌的生物合成为青蒿素生产闯出一条新路。他们通过DNA合成、组装、精密调控等，提高了青蒿素前体紫穗槐二烯（Amorphadiene）的产量。通过发酵工程的优化，紫穗槐二烯的产量达到27.4克/升。而紫穗槐二烯再经过几步化学反应即可生成青蒿素。   

     

今年4月18日，寰宇卫生研究所（The  Institute  for  One  World  Health）宣布，他们与Keasling  JD合作开发的合成生物学半合成青蒿素（ART）项目已经成功地进入生产和销售阶段。   

     

鉴于合成生物学在医药、能源、农业、环保等产业惊人的应用潜力，不少企业开始涉足合成生物学领域。2010年7月，埃克森美孚公司与文特尔的合成基因组公司签订了进一步合作的协议，将投入6亿美元进行微藻生物燃料的研发。   

     

不少国家已经开始着手合成生物学领域的攻城略地，竞争趋势初见端倪。据不完全统计，除了民间资本以外，美国政府出资资助的合成生物学研究项目2008年、2009年  两年来已近40项；欧盟2007年启动了《合成生物学——新出现的科学技术》引导项目共18项。2011年我国也启动了“973”合成生物学的研究项目。   

     

陈国强告诉《科学时报》记者，目前他们正在进行“用合成生物学方法构建生物基材料的合成新途径”的研究。他们期待借此实现合成生物学关键科学问题“合成生命”的重大突破，获得至少一个能快速生长、能允许至少两条染色体共存、有多种复合性能，能改造成为生产重大生物基产品（如PHA）的生物制造平台菌株，实质性地提高合成生物学技术的创新能力，并利用这个技术平台满足国家对生物基材料的重大需求。