合成生物學及其應用研究概述

阿茹娜 鄭婉穎 俞如旺

(福建師范大學生命科學學院 福州 350117)

1 合成生物學及其主要研究內容

合成生物學是一門通過合成生物功能元件、裝置、系統，對生命體進行有目標的遺傳學設計、改造，使細胞和生物體產生特定生物功能，乃至合成“人造生命”的學科。合成生物學是一門交叉學科，會聚了化學工程、電氣工程、計算機科學和機械工程等，涉及生物物理學、生物化學、醫藥學、生物醫學工程和分子細胞生物學等多種學科[1]。

合成生物學研究一方面可以深化人類對于生命機制的認識，為正確理解生物系統及生命演化的奧秘提供必要補充，指導人類深入驗證、理解生物現象以及更好地運用源于自然的技術，使生物學從“觀測、發現”走向“建物、創造”；另一方面，合成生物學開辟了更廣闊的應用領域，加速了合成生物系統的工程化進程，為醫藥創新、疾病診斷、資源開發、生態保護和農業生產等方面開拓新的思路。

1.1 元件工程 依照工程學理念，合成生物學將生命系統中最基礎、功能最簡單的單元統稱為生物元件[1]，其生物學本質是具有特定功能的DNA序列、RNA序列、氨基酸序列或蛋白質結構域。元件工程的中心目標包括：①對現有生物元件的結構進行改造以獲得目標功能；②開發自然界中本不存在的新型元件。常見的元件按照功能可以劃分為非催化元件和催化元件兩類。非催化元件有啟動子、終止子、轉錄單元、質粒骨架、核糖體結合位點等；催化元件則是經過定向改造或重新設計合成的酶類。例如，核糖體結合蛋白本是一種缺乏酶活性的感受蛋白，研究人員運用復合胺替代原本的自然配體，可使其轉化為具有一定催化功能的活性蛋白。

2003年，美國麻省理工學院合成生物學實驗室成立了標準生物元件登記庫，收集符合標準化條件的生物元件，截至目前已有超過兩萬個生物元件登記在庫[2]。元件庫的建立與擴充是合成生物學發展的重要標志。

1.2 遺傳線路工程 遺傳線路，即基因線路，是由調節元件和被調節的基因構成的生物裝置，它在特定條件下可調控基因產物的表達。人工基因線路通過遺傳線路工程合成，主要有兩大類： 一類是基本型人工基因線路，另一類是組合型人工基因線路。

基本型人工基因線路主要是借鑒邏輯電路的設計規則研究基因線路的邏輯關系與調控方法，構建生物控制器件，如基因表達調控開關、生物振蕩器、邏輯信號門、信號過濾器等。這些基本型人工基因線路可以轉移至細菌、病毒或人體細胞等生物中進行定向改造，從而用于疾病的診療等。組合型人工基因線路是以基本型人工基因線路為基礎器件搭建的復雜遺傳裝置，可用于模擬高級的生命過程。2014年，歐陽頎等編程出一種人工基因線路，能夠在大腸桿菌中執行類似巴甫洛夫式條件反射行為，重現高等生物神經網絡的學習功能[3]。

1.3 基因組工程 隨著基因組測序、DNA合成技術以及基因編輯技術的逐步成熟，將基因組從頭合成與重設計的基因組工程應運而生。基因組拼裝、轉移技術是合成生物學領域的核心技術體系，其革新與完善將有效推動合成生物學的發展。基因組的設計與構建不僅是探索基因功能的研究手段，而且可創建用于疾病治療、藥物生產的新生命體。自世界首個由化學合成基因組控制的原核生物支原體——Synthia誕生以來，科學家在人工構建細胞器染色體、酵母染色體臂等基因組重新合成領域不斷取得新的突破。自2011年起，多個國家的研究人員聯合展開第一個真核生物基因組合成計劃——合成酵母基因組計劃(Sc2.0)。2018年，覃重軍團隊利用CRISPR-Cas等基因編輯技術成功實現了單染色體啤酒酵母細胞——SY14的人工創建，是合成生物學基因組工程與細胞工程方面的里程碑式進展。SY14的成功構建打破了教材中原核生物與真核生物的界限，并為端粒功能及細胞衰老的研究提供優良模型。

1.4 代謝網絡工程 相比于傳統代謝工程，合成代謝工程強調構建“自然界中不存在的生化系統”，利用標準化、模塊化的基因、酶等生物元件，重新構建菌株代謝網絡，高效地合成符合人類需求的代謝產物。通過對大規模代謝網絡的計算分析，可設計出特定生物產品的最優合成途徑，有效協助研究人員找到適當的代謝工程改造策略，提升改造過程的精確性[4]。如今，代謝網絡工程已能夠基于異源宿主的代謝信息，整合已知或預測的外源酶功能特性，改變或合成感興趣的代謝途徑。例如，改變大腸桿菌的氨基酸合成代謝途徑，生產生物柴油、汽油、異丁醇[1]；基于酵母菌底盤，制造抗瘧藥物青蒿素前體物質青蒿酸。2015年，Galanie團隊完成了目前微生物中最長的植物天然化合物代謝途徑，在面包酵母中實現阿片類藥物全合成[5]。

1.5 21世紀以來合成生物學領域的重大突破 1979年，美國化學家Har Gobind Khorana合成了207個堿基對的DNA序列，合成生物學從此開啟[6]。進入21世紀后，合成生物學取得諸多突破。代表性進展如圖1。

圖1 21世紀以來合成生物學研究的代表性進展

2 合成生物學的應用研究

2.1 疾病診療 現今，腫瘤、糖尿病等仍是導致高死亡率的疾病。應用合成生物學，為這些疑難雜癥的治療提供新的思路和解決方案。

2.1.1 糖尿病的治療 利用生物傳感體系人工合成基因環路是近年來糖尿病治療的主要研究方向。主要有2種光調控環路： ①光調控基因環路： 將含有光調控系統的工程化細胞移植至患病小鼠體內，此工程化細胞基因環路由光感受器視黑素與效應器兩部分構成。視黑素為一類G蛋白偶聯受體，效應器則由響應活化T細胞核因子的啟動子(PNFAT)及胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)基因構成。在藍光刺激下，視黑素構象改變，GLP-1基因表達啟動，刺激胰島β細胞增殖分化，從而促進胰島素合成并分泌，起到降血糖的效果。病患只需照射藍光就能得到降血糖的治療結果，減輕其治療過程中的痛苦。且與化學誘導物比較，藍光具有誘導速度快、毒性低等特點，能夠克服吃藥、打針等傳統治療方法的局限性[7]。②微波調控基因環路： 該體系所利用的感知元件是一種熱敏感型離子通道蛋白(TRPV1)。在低頻微波輻射作用下，與之結合的鐵蛋白聚合物可發生磁熱效應釋放熱能，使細胞局部溫度升高，激活TRPV1離子通道，使鈣離子內流而激活NFAT信號通路，從而啟動基因環路中胰島素原的表達，調節血糖穩態[8]。

2.1.2 腫瘤的診療 經過人工基因線路改造而成的人工細胞、人工細菌以及人工病毒，具有計算、感知、記憶、響應等功能，當人工生命體感知腫瘤或病灶區域的特異信號，就會輸出報告分子或釋放治療藥物，從而實現對癌癥病人生理狀態的監測、診斷以及治療。

合成生物學將群體感應、生物計數器和自殺開關等人工基因線路的設計編寫入細菌中，提升腫瘤細菌療法的安全性和有效性。M. Omar Din等利用群體感應的基因線路設計工程化裂解菌，腫瘤環境內生長的工程細菌數量達到一定濃度閾值后自動裂解，并釋放出抗腫瘤藥物。由于體內始終維持較低的細菌數量，從而可以降低其對周圍組織的毒副作用[9]。與人工細菌作用原理相似，人工改造的溶瘤病毒在腫瘤細胞中特異性復制并殺傷腫瘤細胞，但不傷害健康組織，同時還會克服腫瘤免疫抑制，促進機體免疫修復。

除了對細菌與病毒進行改造，設計改造后的人類自身細胞運用于腫瘤診療也取得新的進展。嵌合抗原受體T(chimeric antigen receptor T， CAR-T)細胞免疫療法就是利用人工合成的嵌合抗原受體工程化改造T細胞。抗原受體經重新設計后具備更廣泛的腫瘤抗原識別能力，人工設計的T細胞在體外擴增培養后輸入患者體內，能夠特異性殺傷腫瘤細胞，增強免疫反應，實現靶向治療。

2.2 環境修復 科技、經濟、文化迅猛發展的同時，生態環境問題成為21世紀無法忽視的挑戰。新興污染物堆砌的垃圾山、溫室效應氣體的排放以及化石能源耗竭等使生態系統自然修復難以實現。

利用生物合成技術開發新型生物能源是解決能源危機的重要途徑。工程化大腸桿菌的非發酵代謝途徑生物合成的1-丁醇燃料接近汽油的能量密度，且不易揮發；氫氣是未來最有前景的綠色清潔能源，多酶分子機器技術將多種酶進行適配，利用生物質原料，能夠從1個葡萄糖單元中獲得12個氫氣分子。該技術生產氫氣具有易存儲、安全性高且不產生溫室效應氣體的優勢。

新興污染物種類繁多，包括抗生素、洗滌劑、阻燃劑以及部分農藥等。現有微生物降解菌難以應對層出不窮的新興污染物。分析現有降解菌代謝通路信息的幾種催化元件，利用合成生物學技術定向設計、改造并組合降解元件、抗逆元件、趨化元件等，構建能夠降解一種或多種污染物、具有全新代謝網絡的工程菌，建立智能高效降解微生態系統可有效實現環境監測與修復[10]。

3 合成生物學研究面臨的挑戰

合成生物學在蓬勃發展的21世紀顯現出巨大的發展潛力。然而合成生物學給人類社會、自然生態可能帶來的風險也不容忽視： ①合成生物的進化具有不確定性，這是因為人工導入外源片段的細胞具有非自然存在的嶄新功能，其遺傳信息可能發生難以預估的變化，在自然選擇中展現優勢而無限增殖，或許會促使“超級細菌”的誕生，其結果必然會對其他生物甚至人類的生存帶來威脅；②人造生命與自然界現存的其他物質之間的相互作用難以預估，可能出現意料之外的副效應，或是合成的基因傳入其他自然物種中，使自然界基因庫遭受污染，引起基因變化，造成環境災難；③合成生物學研究若得不到有效管理，有可能被“錯用”為生物武器，可以嚴重危害人類安全。2004年，美國科研人員人工合成了“西班牙流感病毒”，該病毒曾在1918年致使全世界上千萬人死亡，雖然其研究者稱合成“西班牙流感病毒”有利于深入理解致命病毒機制，但是萬一該病毒從實驗室擴散出去，其可能的危害絕對不容低估。因此，加強合成生物學研究的管理至關重要。人為設計生命意味著將“人”置于造物主的地位，將人的意志和文化嵌入生命的進化中是對傳統生命倫理的挑戰。合成生物學的發展不得不引發人們對生命意義的反思。