合成生物學研究進展

艾瑞婷，于振行

合成生物學作為一個新興的前沿學科，由于其巨大的潛在應用價值而成為各國政府爭相搶占的資助領域和各科研機構的研究熱點。近年來，合成生物學在生物能源、生物醫藥和生命合成等領域取得了長足發展和重要突破。本文就合成生物學取得的重大科研進展及其國際、國內發展形勢進行綜述。

合成生物學是以工程學和生物學為基礎，以創新為導向迅速發展起來的新研究領域。高通量、低成本的基因測序技術、DNA 合成技術及其公司化運作，為該領域發展奠定堅實基礎。合成生物技術通過多學科交叉集成，從天然生物系統中獲取各種元件，將其合理組合，形成標準化、可替換、工程化的功能模塊，實現用現代工程科學理念構建和改造生物系統。合成生物學一方面探索生命內在運行模式和進化等基礎科學問題，另一方面則直接面向產業，通過對現有生物體的理性目標化改造產生直接效益，為解決能源資源耗竭、人類健康、環境污染等社會可持續發展的瓶頸問題提供直接有效的技術，并帶動傳統產業升級和開辟新興產業。

1 當前合成生物學的重點成果

1.1 生物能源方面

2008 年，Liao 領導的研究組從釀酒酵母、乳酸乳球菌及丙酮丁醇梭菌中引入 2-酮酸脫氫酶，從釀酒酵母中引入2-乙醇脫氫酶，通過基因優化和重構，實現大腸桿菌內全新的高級醇合成路徑，研究結果發表在《自然》雜志上[1]。2009年，通過對細長聚球藍細菌的基因工程改造，增加 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的表達量，并將來自乳酸乳球菌、枯草芽孢桿菌及大腸桿菌的相關基因進一步導入工程菌，使之利用 CO2和光生產異丁醛，成功實現利用光來生產生物能源分子[2]。2010 年，Liao 研究組利用乙酰羧酸合成酶鏈延長模塊和酮酸脫羧酶，在藍細菌 PCC7942 中構建了由丙酮酸到異丁醛的合成途徑[3]。合成的異丁醛是平臺代謝物，可以生成一系列具有重要功能的生物分子。2010 年，美國LS9 生物技術公司利用在藍細菌中發現的脂酰 ACP 還原酶和醛脫羰酶以原核生物脂肪酸合成途徑的中間代謝物脂酰 ACP 為底物，合成烷烴類和烯烴類，論文發表在 2010年《科學》雜志上[4]。

1.2 藥物合成方面

Keasling 領導的研究組于 2003 年在大腸桿菌中成功構建了嶄新的青蒿二烯合成路徑，開創了生物合成的嶄新道路，為低成本生產抗瘧疾藥物以服務于第三世界國家打下基礎[5]。2006 年，Keasling 研究組又以酵母菌為宿主，通過對內源的乙酰輔酶 A 到 FPP 途徑的關鍵基因進行上調或下調，同時引入基因優化過的外源模塊，使青蒿二烯產量提高了 500 倍，達到了 153 mg/L[6]；2010 年，Stephanopoulos領導的研究組成功地在大腸桿菌中合成了抗癌藥物紫杉醇的前體物紫杉二烯[7]。他們將大腸桿菌自身生成異戊烯焦磷酸的途徑做作為上游模塊，將異源的萜類化合物形成途徑作為下游模塊，通過微調上下游模塊之間的表達量，使紫杉二烯的產量達到 1000 mg/L，與原來的菌株相比，產量提高了15 000 倍。

1.3 合成生命方面

Craig Venter 是基因組合成的代表人物。2003 年，設計了在兩周內即可合成基因組的流程，并第一次合成了含有5386 對堿基的噬菌體 phiX174 的基因組[8]；2007 年，將蕈狀支原體（M.mycoides）的天然基因組成功轉移到親緣關系較近的山羊支原體（M.capricolum）中[9]；2010 年又實現了將人工化學合成的 M.mycoides 基因組轉入 M.capricolum細胞中并獲得有活性的菌株，新細菌在生長 30 輪后，原有細胞的蛋白體系被新基因組表達的蛋白完全替換[10]。這是生物領域的一次很大的進步，首次實現了人工合成活性全基因組。

合成生物技術在其他領域也有廣泛的應用，如 2009 年美國加利福尼亞大學舊金山分校的 Voigt 研究組，利用生物信息學方法、合成宏基因組方法，化學合成可表達出最高活性 MHT 的基因，構建了鹵代甲烷產率很高的釀酒酵母工程菌[11]。麻省理工學院（MIT）化工系 Prather 研究組，設計優化了一條葡糖二酸代謝途徑，使 D-葡糖二酸的濃度提高約 5 倍[12]。

2 西方國家對合成生物學的支持情況

近年來，美國、英國等發達國家紛紛投入巨資建立研究機構和開展研究項目，以搶占合成生物學研究發展的先機。2001 年，美國能源部啟動了主要針對重要模式微生物的Genome To Life（GTL）研究計劃，將系統生物學研究和精確的、低成本的基因合成以及合成基因組的構建提上日程。美國國家自然科學基金于 2006 年投入 2000 萬美元資助建立合成生物學工程研究中心（synthetic biology engineering research center，SynBERC），由加利福尼亞大學伯克利分校、哈佛大學、麻省理工學院、加州大學舊金山分校等共同組建。美國生物經濟研究會于 2007 年發表了《基因組合成和設計之未來——對美國經濟的影響》的研究報告，分析了合成生物學及基因組工程支撐技術的迅速發展，認為合成生物學將在化學品生產、能源、疫苗及醫藥等方面有極為重要的應用前景，具有重大的經濟及社會意義。威爾遜中心的分析表明，自 2005 年美國政府對合成生物學相關研究已投入 4.3 億美元。不僅美國投巨資資助合成生物學的發展，歐洲各國也高度重視合成生物學的研究。2005 年歐盟在第 6 個研究框架規劃中發表了《合成生物學——將工程應用于生物學》的項目報告。該報告給出了合成生物學清楚的定義及范圍；展望了合成生物學未來 10 ～ 15 年在生物醫藥、環境與能源等領域的前景。歐盟 2007 年啟動了《合成生物學——新出現的科學技術》引導項目共 18 項。2008 年英國生物技術與生物科學研究理事會將合成生物學列為優先資助的研究領域。英國皇家工程院于 2009 年 5 月發表了《合成生物學》藍皮書，不但系統闡明了合成生物學研究范圍、應用前景及其社會影響，而且明確提出英國要在不久的將來保持和提高在該領域的絕對國際領先地位。英國工程與物理科學研究委員會、帝國理工學院和倫敦政治經濟學院于 2008 年投入800 萬英鎊共同建立了英國合成生物學與創新研究中心。德國馬普學會也成立了合成生物學研究所。自 2005 年起歐盟及荷蘭、英國、德國已在此領域投入約 1.6 億美元研究資金。丹麥政府也將在 2009 – 2013 年的五年計劃中投入1 億 2 千萬丹麥克朗，用于開展合成生物學研究。

3 中國對合成生物學的支持情況

合成生物學在國際上的迅速發展引起我國科學界的高度重視。天津大學于 2007 年主辦了兩次合成生物學研討會，邀請 iGEM 大賽創始人之一 Drew Endy 教授和合成生物學專家 Christina Smolke 參加并授課，這是國內首次舉辦關于合成生物學的學習研討會。2008 年和 2009 年分別在北京和上海召開了以合成生物學為主題的香山科學會議和東方科技論壇。多位中科院、工程院院士及相關領域專家一致認為在我國開展合成生物學研究，搶占學科發展的制高點刻不容緩。2007 年 11 月，天津大學和英國愛丁堡大學聯合成立了愛丁堡大學-天津大學系統生物學與合成生物學研究中心。中國科學院于 2008 年 12 月成立了合成生物學重點實驗室。2010 年 8 月，正式成立了合成與系統生物學研究中心。2010 年 6 月，天津大學邀請國內外相關領域專家及政府管理人員參加求實論壇，討論合成生物學最新研究進展。

我國政府部門也高度重視合成生物學的重要性及重大發展潛力，2010 年科技部將合成生物學列入了“蛋白質研究”重大科學研究計劃。2011 年，我國啟動的“十二五”計劃、“863”計劃和“973”計劃重大科學問題導向項目都將合成生物學列為重點研究方向。“973”計劃支持的第一個關于合成生物學研究的項目是“人工合成細胞工廠”，該項目主要研究微生物細胞的代謝網絡，計算和設計目標化學品可能的生物合成路線，發掘、合成目標化學品合成的相關DNA 元件，進行元件的功能鑒定、性能優化，合成具有調控功能的分子模塊，組裝目標產品合成的人工代謝途徑，優化 DNA 元件、分子模塊和宿主細胞的互作關系，提高人工細胞的環境適應能力，進化人工細胞的化學品合成效率，形成具有高效合成能力的人工細胞工廠。2011 年，“973”計劃支持了另外兩個關于合成生物學研究的項目。一個是“新功能人造生物器件的構建與集成”，該項目的主要目標是建立 DNA 高效合成拼接技術體系，建立生物元件合成與表征、模塊設計與集成組裝以及調試等工程平臺，建立代謝和調控功能明確的標準化元件庫和通用庫。在此基礎上，探索萜類和聚酮類等重要天然產物的新生物合成路線。另一個是“微生物藥物創新與優產的人工合成體系”，該項目希望能通過解決微生物藥物合成體系的合成與調控、元件及模塊組裝、底盤細胞與系統優化等問題，實現藥物生物合成的定向性和高效性。

“863”計劃也正在組織關于合成生物技術研究的項目，解決合成生物技術實際應用中面臨的關鍵技術問題。通過關鍵技術的突破，提高中國在生物能源、藥物研究與生產等領域的綜合能力。

4 合成生物學與生物安全和倫理道德

合成生物學技術的快速發展引起了社會各界對其在生物安全和倫理道德方面的關注。隨著合成生物技術的不斷成熟，它是否會引起像轉基因技術，干細胞技術一樣的爭議和恐慌？另外，恐怖分子會不會利用合成生物學技術制造生物武器威脅社會？毋庸置疑，合成生物技術帶來的社會效益和風險是并存的，所以在發展關鍵技術的同時，要盡快制定相關法規和制度，加強核心技術專利權的保護，保證并促進合成生物學技術健康、快速地發展。

5 展望

國際人類基因組計劃完成后，人類對改造天然產物和創造新生命的強烈愿望使得合成生物學逐漸為大家所認識并得到重視。經過大約 10 年的發展，到 2011 年，合成生物學已經取得一個又一個重要突破。《科學》、《自然》雜志都將合成生物學評為 2010 年度重大科學事件之一，《科學美國人》、《時代》周刊、《國際財經日報》、《科技日報》等報刊也都對合成生物學對科學發展的重大影響給予肯定。

隨著合成生物學研究和相關生物技術的快速進展，將會有越來越多的合成生物學零件和模塊得到表征及標準化；更加復雜精細的合成基因線路會在原核生物及真核生物中得以應用；像 JCVI-syn1.0 一樣的“合成細胞”將進一步發展。在應用方面，合成生物技術將對生物能源、植物源藥物、環境保護等戰略性新型產業產生強有力的推進作用，為微生物藥物產業的技術創新和產業化升級提供強大的技術支撐，成為生物技術領域一個重要的前沿方向。

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