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合成生物学:生命科学的“利器”(开卷知新)

人类进入21世纪以来,一门新兴的交叉学科“合成生物学”成为国际科学前沿一大热门。

合成生物学,能利用大肠杆菌生产大宗化工材料,摆脱石油原料的束缚;酵母菌生产青蒿酸和稀有人参皂苷,降低成本,促进新药研发;工程菌不“误伤”正常细胞,专一攻击癌细胞;创制载有人工基因组的“人造细胞”,探究生命进化之路;利用DNA储存数据信息并开发生物计算机……作为科学界的新生力量,合成生物学进展迅速,并已在化工、能源、材料、农业、医药、环境和健康等领域展现出广阔的应用前景。

探究生命起源演化

解读“密码”改造自然

生命是世界上最复杂的物质存在。人类自诞生以来,就在认识生命的漫漫长途中上下求索。从中国古代的《黄帝内经》和《本草纲目》,到西方近代博物学家对动植物分类,人类对于生命现象的认识,都是从对生命体的“宏观”观察、“表观”描述而获得的经验型逻辑总结。另一方面,对于譬如尿素之类的“有机物”,化学家们也认为只能由生物体在一种神秘的“生命力”作用下产生。

1828年,德国化学家弗里德里希·维勒无意在无机实验中合成了尿素,揭开了人工合成有机物的“合成化学”序幕。也就是从19世纪后期到20世纪前半叶,基于数理化技术与方法的实验科学催生了认识生命共同本质的细胞生物学、生物化学、遗传学和发育生物学,而进化论的诞生,则最先将人类对生命的认识,提升到了理论的高度。

20世纪中叶,随着DNA双螺旋结构的发现,分子生物学“中心法则”的确立,人类开始找到生命现象的“密码本”。而生命另一类基本分子,具有生理活性的蛋白质牛胰岛素一级结构的解析,直接导致了我国科学家于60年代完成其全人工合成,即世界上首次人工合成蛋白质。在同一时代,DNA测序技术的建立,实现了人类“读基因”的梦想;DNA重组技术的建立,实现了人类“写基因”的梦想;再加上在基因定向突变与敲除基础上的“编基因”梦想的实现,分子生物学及基因工程技术在上世纪80年代,将生命科学推向了历史上第一次革命的顶峰。

至20世纪末,人类基因组计划带来了第二次革命,实现了基因组的全面“解读”,人类对生物体组成和生命规律的认识达到了前所未有的系统生物学的深度和定量生物学的精度。2010年,科学家合成约100万碱基的支原体基因组,并将其转入另一种支原体细胞中,获得可正常生长和分裂的“人造生命”,实现了“撰写”基因组的梦想。此后,科学家又合成了非天然核苷酸、非天然氨基酸;并采用“编辑”基因组的手段,创建出人造单染色体真核细胞……人类掌握了“读”“写”“编”基因组的技术手段,获得了设计与合成生命的能力,200年前盛行于世的“生命力”学说被完全克服。

什么是合成生物学?

有什么样的认识(科学)和手段(技术)就有什么样的工程。古代,通过“尝百草”检验植物药性,建立中药体系,通过人工驯化与优选,获取种质资源,建立畜牧业与农业体系,都是利用当时的生物认识和生物技术,造福人类的典型工程实践。今天,怎样利用对生命“密码本”的认识及对其“编写”的手段,改造自然、造福人类?21世纪初, 科学家们将工程科学的研究理念融入现代生命科学,发展出以合成生物学为代表的“会聚”研究,促成了生命科学的第三次革命。

合成生物学采用工程学“自下而上”的理念,打破“自然”和“非自然”的界限,从系统表征自然界具有催化调控等功能的生物大分子,使其成为标准化“元件”,到创建“模块”“线路”等全新生物部件与细胞“底盘”,构建有各类用途的人造生命系统。这一与系统生物学“自上而下”解析理念相反的合成理念,也将我们习以为常的“格物致知”研究策略,推进到了“建物致知”的新高度。这样,进化过程中“猜测”的祖先物种或分子体系,将可能被合成,并加以定向的诠释;而被各种“假说”“对照”分割研究的复杂生命现象,也可以实现整合的定量研究,解析因果机制。

合成生物学采用工程学“设计—合成—测试”的研究方法,在学习抽象自然生命系统的基础上,或对自然生物系统“重编程”,或重头设计具有全新特征的人工生命体系;然后,利用“基因编辑”“基因合成”等“工具包”,用实验方法来构建,再对构建出来的生物系统进行测试,如此反复循环优化,形成了一个正向可靠的科学闭环。建筑在如此大规模通用化工程平台基础上的合成生物学,往往也被称为“工程生物学”,它“建物致用”的工程能力,有望为解决健康、能源、粮食、环境等重大问题做出新贡献。

破解资源环境难题

赋能人类健康事业

当前,资源短缺、环境污染、气候变化等全球问题日益凸显,合成生物技术为实现“社会—生态/环境—经济”和谐发展提供了全新解决方案。

石油是储量有限的不可再生资源,迟早有枯竭的一天,这是人类生存发展必须严肃应对的问题。在理论上,绝大多数石油化学品都能够借助合成生物学技术制得,人们还可通过生物合成技术制造出传统化工无法合成的新燃料。同时,合成生物学在人工固碳、利用二氧化碳方面取得进展。例如,科学家通过对细菌进行人工优化和改造,建造可将大气中的二氧化碳转化为酮、醇、酸等化学品的“细胞工厂”,实现二氧化碳等资源的高效综合利用,推动建立低能耗、低污染、低排放的低碳经济模式。

随着全球人口不断增长,环境污染加剧和气候持续变化,人类食品和环境安全面临巨大挑战。利用合成生物学技术,创建适用于食品工业的细胞工厂,将可再生原料转化为重要食品组分,这被认为是解决食品问题的可行途径。在农业生产中,氮肥使用量大幅增加带来的土壤板结和酸化等问题,可以通过合成生物学“微生物固氮”技术得以有效解决。在环境治理领域,可以通过“定制”微生物去除难降解的有机污染物,也可开发出人工合成的微生物传感器,帮助人类监测环境,设计构建能够识别和富集土壤或水中的镉、汞、砷等重金属污染物的微生物,以大幅提升污染治理效能。

合成生物学在生命健康领域也有广阔的用途,不仅能够用于天然产物等医药产品的生产,还能在疾病研究模型的开发、生物标志物监测、干细胞与再生医学等领域发挥巨大作用。例如,人体肠道内具有丰富多样的微生物,合成生物学为肠道微生物的改造提供了工具:一方面,可以设计改造对人体有益的细菌,让它们生产人体自身不能合成的维生素等营养物质;另一方面,可以设计出感知肠道环境变化的“智能微生物”,对人体内的健康状态进行检测和诊断。

在抗击新冠肺炎疫情中,合成生物学技术发挥了重要作用,展现了强大应用潜力。例如,利用DNA条形码技术改进测序流程、利用基因编辑技术开发核酸诊断试剂,提高诊断的准确性和灵敏度。利用合成生物学技术还可以寻找潜在的小分子药物、开发疫苗,以及通过调节人体微生物组来激活人体免疫系统,提高人体抗病毒能力。

改造生命的目的,是为了更好地认识和调控生命现象,使之为改善生态、提高人类生命生活质量服务。未来,在人工智能和大数据等新技术推动下,合成生物学将赋予人类更强的“改造自然,利用自然”的能力,当然,同时也会带来社会伦理与安全等新问题。我们必须在思想上明确该做什么,怎么做才是正确的;在做好风险评估并开发防控风险的技术和策略的同时,及时制定相应的研究规范、伦理指导原则和相应的法律、法规,并辅以可落实的管理规章与监管办法。

人类数百万年对于生命的探索,经过最近两个多世纪的三次革命,才达到了“合成生物学”的高度,形成了工程化的能力。然而,这只是“万里长征第一步”。用好合成生物学的“利器”,为实现建设社会主义现代化强国的理想作出贡献,还需要投入大量心血,提升知识、创新技术、踏实转化、服务需求。中国科学工作者对此责无旁贷。

(作者为中国科学院院士、中国科学院合成生物学重点实验室专家委员会主任)

推荐读物:

1.《生命的未来》:克雷格·文特尔著;贾拥民译;浙江人民出版社出版。

2.《魔幻手环·新叶的神奇之旅》:中国生物技术发展中心编著;科学普及出版社出版。

3.《合成生物学》:李春主编;化学工业出版社出版。

《 人民日报 》( 2020年11月17日 20 版)

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