合成生物學研究的新進展

奇云

摘要：合成生物學是近年迅速發展起來的一門新興學科，因其具有重要的研究意義和巨大的應用開發潛力而備受關注。本文對合成生物學的國內外研究概況、發展方向、應用前景及其存在的安全、倫理問題進行了概述，并展望合成生物學將給人類社會帶來的巨大變化。

關鍵詞：基因；基因組；合成生物學；應用

一、后基因組時代生命科學研究的新領域

合成生物學（Synthetic biology）是一門建立在系統生物學、生物信息學等學科基礎之上，并以基因組技術為核心的現代生物科學。它是用有機化學及生物化學的合成能力去設計非天然的、合成的分子，進而使這些分子在生命系統中有活性功能。與傳統生物學通過解剖生命體以研究其內在構造不同，合成生物學是設計自然界中原本不存在的生物或對現有生物進行改造，將工程學的思想用于生物學研究當中。合成生物學的最終目標是重塑生命。簡單地說,合成生物學旨在以人工手段制造出生物系統。其涵蓋的研究內容可以大體分為3個層次:一是利用已知功能的天然生物模體或模塊構建成的新型調控網絡并表現出新功能;二是采用從頭合成的方法人工合成基因組DNA并重構生命體;第三個層次則是在前兩個研究領域得到充分發展之后,創建完整的全新生物系統乃至人工生命體[1]。

雖然“合成生物學”一詞1911年就在著名科學刊物《科學》（Science）和《柳葉刀》（The Lancet）等雜志上出現過，但許多學者認為，合成生物學成為一門真正的學科始于2000年。比起當前的轉基因、基因工程等技術，合成生物學的研究更前衛，代表了下一代生物技術。

進入后基因組時代以后，集成系統生物學思想的合成生物學應運而生，它綜合了生物化學、生物物理和生物信息等技術，利用基因和基因組的基本要素及其組合，設計、改造、重構或是創造生物分子、生物體部件、生物反應系統、代謝途徑與網絡乃至具有生命活力的生物個體。

雖然合成生物學的基礎就是以基因組技術為核心的生物技術，類似傳統生物技術的工程化；但是，它并不局限于傳統生物技術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。合成生物學與目前基因工程和生物技術方法的關鍵區別，就是其將工程設計和開發的方法應用于生物技術。這種方法的實質就是為了設計出滿足某些特性的產品，對每一個部件、裝置或系統的特性進行規范。在構建過程中，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，合成生物學含有三個基本要素：第一是采用從自然界分割出來的標準的生物學元件，可被修飾、重組乃至創造的元件。第二，是依據基因組和系統生物學的知識進行理性的重組、設計。第三，是采用現代生物技術和相關物理、化學技術，人工建造優化的生物系統，乃至獲得新的生命（生物體）。合成生物學的發展主要涉及4個重要技術：首先是測序。有了測序技術的發展，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。了解了整個生命系統的構成，對生命系統有一個系統認識后，通過計算機模擬建模分析，編制科學家想要實現的新的生命體系。第三步就是從無到有獲得新的基因。最后是通過移植技術獲得新的生命細胞。合成生物學既是多學科的交叉綜合，又是充滿挑戰和機遇的創新研究[2-3]。

二、合成生物學的應用和發展前景

合成生物學目前的發展態勢與計算機產業發展早期有許多相似之處，未來的影響可能會與計算機曾給人類社會帶來的影響相仿。由于仍處于發展早期，合成生物學的未來具體應用領域尚難準確預料。時下較為普遍的看法是，它在以下幾個領域大有用武之地[4]。

（一）生物能源

進行細胞工程，將糖、淀粉質、纖維素（農業廢物）及二氧化碳中的碳，轉化為具效益的產物，包括交通工具所需燃料。利用可再生原料進行碳中和化合作用，有助減少溫室氣體的排放。隨著技術發展及與燃料電池的集成，該技術也有望解決與氫氣的儲存、銷售相關難題，因而在汽車領域應用潛力巨大。

（二）綠色制造

傳統塑膠及紡織制造業牽涉的制作過程，往往需用上高溫和有害溶劑，更會產生污染物。就上述步驟進行細胞工程將可以引伸出一系列程序，其中一些更可以在室溫的環境下進行，最后不會產生有害的副產品。

（三）農業

現時，合成生物學獲應用于植物工程學，將有助科學家設計一系列能帶來更豐碩收成、具抗病能力，及能抵抗極端或惡劣環境的農作植物品種。

（四）制藥業

可重新改造細菌及酵母，達致低成本制藥的目的，包括那些用傳統化學無法制造出來的或今天價格奇貴的藥品。例如采用經基因重組的細菌生產抗瘧疾及降膽固醇藥物。上述過程將有效大幅降低生產成本，從而將藥物推廣于發展中國家的龐大市場。

（五）醫療

重整人類細胞，與人體組織及器官作更佳結合；而細菌及人類免疫細胞則可獲轉用于發展多項針對不健全細胞及組織的療法，有助對抗癌病及一些遺傳病。

當前，合成生物學的產業化應用已經初現端倪。2010年7月，美國的《研究與市場》預計，到2015年合成生物學產業市場將超過45億美元。2010年7月，埃克森美孚公司與文特爾的合成基因組公司簽訂了進一步合作的協議，將投入6億美元進行微藻生物燃料的研發。2010年12月，《工業生物技術》雜志刊登了排名前10位的風險投資支持的生物技術公司，其中大量的創投資金投資于生物燃料方面的合成生物學公司。美國生物技術產業組織發表報告介紹合成生物學目前在化學品和醫藥中的應用，涉及的產品包括：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、西他列汀（Ⅱ型糖尿病用藥）等，其中多項技術獲得2010年美國總統綠色化學挑戰獎。合成生物學的基礎研究催生了許多研發性的合成生物學公司，為合成生物學產業的發展提供了很好的技術平臺，加快了產業化的進程。目前，所研發的產品大都完成中試，有的已與大公司合作進行工業化。據報道，美國兩家企業已開始使用人工細菌生產生物燃料，全球制藥巨頭賽諾菲－安萬特公司已經獲準使用合成生物學改造的啤酒酵母生產青蒿素。

三、合成生物學的安全、道德與倫理問題

由于合成生物學旨在改造生命和創造生命，打破了“自然”和“非自然”的界限，就必將在社會上引起有關倫理道德的困惑與爭論。在合成生物學發展的這幾年時間里，在各種科學刊物及學術會議上，有關合成生物學與生物安全、倫理道德的話題也是經常討論的重要議題[3]。

從生物學觀點看，生命是區分活的有機體與無機物的條件。但生物學意義的生命與社會情境中的生命是不同的。且不說制造高級動物或人的生命，即使制造或變更簡單生命體，會對人類具有社會和文化層面的生命會有什么影響？例如我們制造生命后，會不會肆意對待所有生命，包括人類生命？這是人們關注的一個問題。這種關注有時用“不要扮演上帝的角色”的論點提出，認為目前所有生命有機體都是“自然”形成（或“上帝”創造）的，都是經過千百萬年進化而來的，我們如果設法去創造生命，可能會對整個自然界、地球上的所有物種，包括人類在內產生始料不及的影響。當然，這種觀點雖然不無道理，但難以立足。尊重生命并不意味著我們對地球上任何生命形式都不能利用和改造。

合成微生物與環境或其他有機體可能產生令人始料不及的相互作用，從而對環境和公共衛生造成風險。為了負責任地發展應用合成生物學必須預防或處理這些風險。合成微生物釋放入環境可能引起基因水平轉移和影響生態平衡，或發生演變產生異常功能，對環境和其他有機體產生前所未有的副作用。因此必須解決生物安全問題。

從理論上來說，用合成生物學可以制造出比目前人類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，可能會對人類造成許多潛在危害。例如，合成生物體被有意或無意地排放到環境中后，可能因其具有嶄新的結構而在自然選擇中獲得優勢而無限增值，或與其他微生物發生相互作用造成合成基因污染自然界的基因庫。當前，人們最大的擔憂在于：一旦合成生物學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法消滅的的病毒。

潛在的非物理性傷害是對個體或社會的幸福安康所造成的副面影響，涉及公正、平等、人際關系、人與自然關系等，有時難以言說。例如人們對合成生物學中專利、知識產權、商品化、重商主義等的爭論，還有我們是否應該利用合成生物學或其他技術增強人類的性狀和能力。人們比較重視對物理性風險或傷害的管理，而不重視對非物理性風險或傷害的管理。

合成生物學就因其利弊相兼而引起廣泛爭議。由美國彼得·哈特研究協會和伍德羅·威爾遜中心共同進行的民意調查顯示，66％被調查者認為，應該推動合成生物學的研究，但34％的人要求禁止這一學科，起碼不要在不了解其可能引起的不良后果時從事這方面的研究。在對合成生物學心存疑慮者中，27％的人擔心恐怖組織會利用研究成果發展生物武器；25％的人擔心合成生物學產生的人造生命會破壞倫理道德；23％的人擔心這些研究會對人們健康產生負面影響；13％的人擔心環境會因此受到破壞。調查還發現，一半以上的被調查者希望美國政府制定嚴格措施，以規范合成生物學研究。

參考文獻

[1]林其誰.合成生物學[J].生命科學，2005,17（5）:384-386

[2]McDaniel R, Weiss R. Advances in synthetic biology: on the path from p rototypes to app lications[J]. Curr Op in Biotechnol,2005, 16 (4) : 476 - 483.

[3]奇 云.合成生物學走向新時代（N）.中國社會科學報，2011年4月14日第179期12版

[4]奇 云.合成生物學指引我們向何方？[J].生命世界，2011（5）：16-19