淺談合成生物學技術研究進展

鄔瀟劍

摘要：隨著科學技術的不斷發展，科研方向不斷向生物學方向靠攏，其最為主要的原因就是生物研究具有眾多優勢，并且生物學研究成果對自然環境及社會環境的影響都比較小，對自然資源的要求也不高。基于此，文章就合成生物技術的研究進行分析，其對促進社會快速發展具有至關重要的作用。

關鍵詞：合成生物學技術；研究進展；生物功能元件；DNA合成；DNA組裝方法 文獻標識碼：A

中圖分類號：Q81 文章編號：1009-2374（2016）14-0073-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.037

合成生物技術產業的不斷更新發展為人類社會所存在的一些較為難以突破的問題尋求到解決的方案，并且起到實質性的作用。合成生物技術產業簡而言之就是利用合成生物技術的產業化發展，合成生物技術的發展基礎就是基因、細胞這些微小單位，在此基礎上進行相應的研究，主要研究方向就是生物產業的設計化、工程化，將基因與計算機編程、網絡等相結合，進行各種傳感性研究以及細胞編程的定向進化等，其對于社會的進一步發展有較為重要的導向作用。但其發展中的問題層出不窮，對于社會倫理、社會環境而言都是巨大的挑戰。我國對于合成生物技術產業發展制定了一套合理科學的戰略方針，針對其出現的問題提出了相應的政策進行限制。

1 合成生物學技術

合成生物學技術主要包括生物能源、農業及醫藥等方面，合成生物學技術的發展可以促進我國生產技術的快速發展。現階段合成生物學技術在發展過程中存在很多問題，對其快速發展產生了極大的影響。目前，合成生物學技術在發展過程中產生了一套適合其發展的模式，本文主要對以下三個方面進行分析：

1.1 發展合成生物學技術發展的原因

合成生物學技術需要快速發展的原因是為了有效地滿足人們的精神及物質需求，就是在社會經濟快速發展的現階段有效地增強人們的壽命及身體健康和對精神的需求有所提高；采用或者引用新技術有效的改善現階段環境的嚴重污染。在這樣的背景下，合成生物學技術就必須快速發展，成為我國現階段發展的重要領域，加上人們對動植物及人類本身的研究不斷深入，合成生物學技術在研究過程中也在不斷提升，使其研究范圍也在不斷擴大。在研究過程中可以發展各種生物的作用及意義，并且可以有效地發現其生理及生長原理，使合成生物學技術在我國發展過程中發揮著至關重要的作用。

1.2 合成生物學技術產業發展戰略的前提

在我國現階段，合成生物學技術發展的主要目標就是解決其在發展過程中存在的許多問題，其中存在問題的主要原因就是因為合成生物學技術嚴重影響了現階段自然進化的絕對性，對生物進化產生了人為的影響。物種出現變異或者其發展方向出現偏差的主要原因就是因為人工生物體及生物實驗等的出現，合成生物學技術的出現嚴重地違背了生命的進化法則及生物的自然生長規律，對目前環境的自然化發展產生了嚴重的影響。因為人們對自然生長規律進行了過度的改造，就會嚴重破壞生態平衡，所以必須對自然生長規律的研究方向及研究范圍設置一定的方案，并且進行一定的限制，提出適應現階段社會發展的戰略目標。

1.3 我國合成生物學技術發展戰略

現階段，合成生物學技術發展的戰略目標制定的基礎就是自然繁衍規律、自然生長法則及我國環境的發展詳情等情況，對產生制定發展目標的主要原因就是促進該產業的快速發展，使該產業在發展過程中存在的問題得到有效的解決，并具有促進該產業快速發展的作用。我國在發展該產業的過程中應該遵循的主要原則就是尊重自然、尊重科學、尊重資源的有效利用及人類發展規律等原則，在這些原則的制約下可以制定有效的發展戰略目標，可以有效地促進我國現階段能源、農業及工業的快速發展，有效地減少環境的污染，促進合成生物學技術的快速發展。

2 生物功能元件

2.1 生物功能元件的設計、合成和功能表征

眾所周知，生命的形態呈現多樣性，其可以合成現有的有機化合物為新的生命系統。目前，所謂的遺傳信息具有編輯性的特點，為創造新的生命系統提供可靠的保證，合成生物學的基礎就是生物功能元件，是一種最小的生物元件，并且具有特定的功能，是氨基酸與核苷酸序列進行不同組合，形成一種復雜的系統。在理論上，任何有機化合物和新種的合成可以通過生物功能組件的設計和組合來實現。另外，使用新核酸及非天然氨基酸的開發，對遺傳密碼子表進行不斷擴張，可以有效地擴大新品種的合成及化合物的使用范圍。伴隨著現階段DNA合成技術的商業化及不斷發展，基因原件的保真性及質量的不斷提高，同時其成本也在不斷降低，為合成大量的基因原件提供便利，而且通過使用高通量篩選技術可以有效地加強人員對基因原件的選擇。

2.2 生物功能元件的標準化

目前，伴隨著合成生物學的快速發展，人們需要對生物學的功能原件進行規劃。1996年，Rebatchouk等通過克隆的方式有效地建立了基因元件庫，但是當時這項工程并沒有引起行業人員的注意。2003年，Kight在麻省理工學院提出了“生物磚”概念。現階段，許多科研院也在開始使用規范的基因元件庫進行生物系統和生物裝置的監理。所謂的生物磚就是對生物功能組件的標準化進行不斷嘗試，簡單而言就是單個的積木通過不同的方式進行排列組合，可以組成許多不同結構的形態，通常情況下，生物磚的基礎元件主要包括調節序和編碼序列，如核糖體結合位點、終止子及啟動子。2003年，通過麻省理工學院建立了標準生物元件庫，現階段應該收集了3400多件基因元件有效的應用與組裝生物系統和生物裝置。這些標準化元件一般都來自于每年參加國際遺傳工程機器設計競賽、科學家個人和學術研究機構等團隊。每個單獨的元件都有自己的編碼，其中還有建造者、使用者、序列及功能等資料，這些資料都是公開的，可以免費使用。

2.3 生物功能元件的組裝

合成生物學技術的主要特點就是對基礎元件進行重新的排列組合，得到不同的系統及相關的裝置，但是因為人們發展研究的限制及生命系統的復雜性，合成生物學技術不能像建筑工程及其他學科的項目一樣，對具有特定功能的元件進行排列組合，就可以得到應有的效果及功能，同時需要對各個元件、裝置及設備之間進行不斷優化及調試；同時最為主要的影響因素還有底盤、裝置及元件，而在這個過程中，使用系統生物學分析方法和高通量的測試方法對其進行優化和試配。通過使用計算機輔助動態仿真技術，對構建的模型進行不斷的預測，并對其進行優化，這樣可以有效地降低模型的測試工作量，有效地加快模型的構建進度，對構建模型的過程中所產生的數據進行重新組合、預測其功能，可以有效地構建出接近自然生物系統的模型，最終得到最佳的施工方案。

3 DNA合成與組裝技術

3.1 DNA合成

DNA化學合成的主要成分就是基因合成和寡核苷酸合成。寡核苷酸合成通常情況下是使用固相亞磷酸胺三酯法，原料為核苷酸單體，經過脫保護、偶聯、封閉與氧化四個循環反應的過程進而得到的。這種方法通過一定的優化措施，以1/200的錯誤率最多可以有效地合成200～300nt的寡核苷酸序列。在20世紀90年代初期，促使實現寡核苷酸的高通量合成的主要因素就是芯片技術。但是因為“邊緣效應”及“脫嘌呤”現象的出現，對合成序列的正確性產生了一定的影響。由于CustomArray開發的通過半導體電化學酸合成與Agilent開發的通過噴墨打印技術的芯片合成后，有效地改善了出錯率，與柱式的合成相當。但是這種方式的單次合成數量是柱式合成數量的100～10000倍，所以可以有效地降低DNA的合成成本。

3.2 不同尺度的DNA組裝方法

為了對合成基因序列的可靠性進行控制，通常情況下DNA的合成長度不能超過5kb，而更大尺度的DNA分子可以通過最新的DNA組裝方法實現。除了傳統的克隆分類的方法，現階段已經出現了體外DNA組裝、聚合、連接或同源重組原理等多種體內的新方法。這些方法被大量使用，促使DNA組裝不管是效率還是尺度都得到了快速的

發展。

2008年，Venter研究組有效地完成了580kb生殖道支原體的人工建立，并在2010年實現了人造生命的重頭合成方式，有效地促進了現階段合成生物學的快速發展。在這一發展過程中，除了依靠低成本及高通量的基因合成方法外，主要使用酵母體內拼接及Gibson組裝的方法進行開發，通過這種方法，有效地實現多個片段的一次性無痕拼接，其現階段組裝尺度最大為580kb。

綜上所述，現階段，合成生物學技術出現及快速發展與人類認知及自然科學方法息息相關。自然科學方法主要是從細胞、個體、分子到群體等多個方面指導人們對自然的認識，有效地揭示規律、生命及機制，隨著人們對自然認知的不斷深入，人類的認知不能滿足自然的傳統描述，所以合成生物學就會逐漸出現。同時，合成生物學是工程實踐的前提，是理解和分析自然生命系統的關鍵，對生物系統、裝置的特征進行分析，從而出現簡單的生物裝置及元件的設計、組成標準化的規律及原則，然后指導人工生命生命系統的設計和施工。另外，屬性合成生物學的設計和建設的“自下而上”的正向工程理念和“標準化”“復雜的系統脫鉤”和“抽象”的理念，這與傳統的生命科學研究存在一定的差異，而且合成生物學家的指導，導致設計和建造的城市標志性建筑的路標。同時組件、系統和壽命設計與施工可以系統地深入和了解生命的本質規律，從而可以有效地指導應用性及工程化的設計及建造，這是合成生物學的一個重要理論。

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（責任編輯：王 波）