朱星華，李 哲

（中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院，北京 100038）

合成生物學(xué)的研究進(jìn)展與應(yīng)用

朱星華，李 哲

（中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院，北京 100038）

本文詳細(xì)介紹了合成生物學(xué)的概念、最新研究進(jìn)展及其廣闊的應(yīng)用前景。針對合成生物學(xué)的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)特性，提出三點(diǎn)建議：大力加強(qiáng)合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究，建立國家級的合成生物學(xué)研究基地；我國合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)著眼于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思維；在生物安全、倫理、知識產(chǎn)權(quán)等方面建立必要的法規(guī)和制度。

合成生物學(xué)；進(jìn)展；前景；建議

2004年美國麻省理工學(xué)院（MIT）《技術(shù)評論》曾載文介紹十項(xiàng)方興未艾的技術(shù)，并預(yù)測這些技術(shù)將給人類生活和工作帶來革命性的影響，合成生物學(xué)（Synthetic Biology）技術(shù)位列榜首。幾年的實(shí)踐表明，這項(xiàng)預(yù)測正在成為現(xiàn)實(shí)。最新一期的《科學(xué)》雜志報(bào)道了合成生物學(xué)領(lǐng)域的最新成就，美國私立研究所克雷格·文特爾研究所 （J.Craig Venter Institute）的研究人員首次創(chuàng)造了一個(gè)完全由人造基因指令控制的人造細(xì)胞，預(yù)示著生物學(xué)可能將進(jìn)入新紀(jì)元。這項(xiàng)研究開創(chuàng)了前所未有的操控生命的方式，使人類具有創(chuàng)造完整生物體的能力。合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會促使分子工程學(xué)和計(jì)算機(jī)生物學(xué)融合，整合成為一門新的生命科學(xué)系統(tǒng)。

1 合成生物學(xué)的概念

合成生物學(xué)作為正式學(xué)術(shù)名詞第一次出現(xiàn)是在1980年，由德國科學(xué)家芭芭拉·荷本（Barbara Hobom）用來描述基因工程菌時(shí)采用［1］。這些利用重組DNA技術(shù)的細(xì)菌是由研究人員主動(dòng)干預(yù)而改變的生物系統(tǒng)。從這個(gè)意義上來說，合成生物學(xué)主要是指用生物工程技術(shù)合成目標(biāo)生物。根據(jù)英國皇家學(xué)會的定義，合成生物學(xué)是指新的人工生物路徑、有機(jī)體或裝置的設(shè)計(jì)和構(gòu)建，或者對自然生物系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。合成生物學(xué)組織 （Synthetic Biology Community）網(wǎng)站上公布的合成生物學(xué)的定義則強(qiáng)調(diào)合成生物學(xué)的兩條技術(shù)路線：（1）新的生物零件、組件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造；（2）對現(xiàn)有的、天然的生物系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。從內(nèi)容上來說，合成生物學(xué)與轉(zhuǎn)基因技術(shù)存在一定的重疊，但合成生物學(xué)要比轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)更加復(fù)雜與寬泛，合成生物學(xué)是分子生物學(xué)、基因組學(xué)、信息技術(shù)和工程學(xué)交叉融合而產(chǎn)生的一系列新的工具和方法。一般而言，合成生物學(xué)的目標(biāo)是通過自然與合成遺傳物質(zhì)的某些具體組分的組合來設(shè)計(jì)、研制和制造功能生物體，而其最終目標(biāo)是完成獨(dú)立、可自我繁殖、可表現(xiàn)穩(wěn)定功能的人工生命體。

合成生物學(xué)改變了過去的單基因轉(zhuǎn)移技術(shù)，開創(chuàng)綜合集成的基因鏈乃至整個(gè)基因藍(lán)圖設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)人工生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造［2］。人工基因重組、轉(zhuǎn)基因技術(shù)是自然重組、基因轉(zhuǎn)移的模仿；天然藥物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生；人工神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)是細(xì)胞系統(tǒng)水平的仿生。從分子結(jié)構(gòu)圖式、信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞形態(tài)類型到器官組織結(jié)構(gòu)的多基因系統(tǒng)調(diào)控研究的系統(tǒng)遺傳學(xué)，以及納米生物技術(shù)、生物計(jì)算、DNA計(jì)算機(jī)技術(shù)和多基因轉(zhuǎn)基因研究的合成生物學(xué)，則已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)從分子、細(xì)胞到器官的人工生物系統(tǒng)（Artificial Bio-system）開發(fā)的時(shí)代［3］。MIT合成生物學(xué)小組負(fù)責(zé)人德魯·恩迪（Drew Endy）認(rèn)為，與基因工程把一個(gè)物種的基因延續(xù)、改變并轉(zhuǎn)移至另一物種的作法不同，合成生物學(xué)的目的在于建立人工生物體系，讓它們像電路一樣運(yùn)行。與傳統(tǒng)生物學(xué)通過解剖生命體以研究其內(nèi)在構(gòu)造的辦法不同的是，合成生物學(xué)的研究方向完全是相反的，它是從最基本的要素開始一步步建立零部件。所謂合成，就是建立各個(gè)活的部件，是逆自然世界的一個(gè)過程。研究合成生物學(xué)的科學(xué)家們預(yù)言，合成生物學(xué)的成功將意味著科學(xué)的極大進(jìn)步。

2 合成生物學(xué)的研究進(jìn)展

自2000年《自然》雜志報(bào)道了人工合成基因線路研究成果以來，合成生物學(xué)研究在全世界范圍引起了廣泛的關(guān)注與重視，國際上的合成生物學(xué)研究發(fā)展飛速，在短短幾年內(nèi)就已經(jīng)設(shè)計(jì)了多種基因控制模塊，包括開關(guān)、脈沖發(fā)生器、振蕩器等，可以有效調(diào)節(jié)基因表達(dá)、蛋白質(zhì)功能、細(xì)胞代謝或細(xì)胞間相互作用。2003年，MIT成立了標(biāo)準(zhǔn)生物部件登記處，目前已經(jīng)收集了大約3200個(gè)BioBrick標(biāo)準(zhǔn)化生物學(xué)部件，供全世界科學(xué)家索取，以便在現(xiàn)有部件的基礎(chǔ)上組裝具有更復(fù)雜功能的生物系統(tǒng)。

2003年，加州大學(xué)伯克利分校（UCB）勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建了世界上第一個(gè)合成生物學(xué)中心。目前該中心有24個(gè)專職科學(xué)研究人員和135名輔助人員、訪問學(xué)者和學(xué)生。2006年，美國國家科學(xué)基金會（NSF）投入2000萬美元資助建立“合成生物學(xué)工程研究中心 （Synthetic Biology Engineering Research Center，SynBERC）”，由UCB、哈佛大學(xué)、MIT、加州大學(xué)舊金山分校等共同組建。如今，類似的研究中心在全美的10所高校已經(jīng)建立了近20個(gè)，主要分布在波士頓和加州地區(qū)。2007年美國UCB化學(xué)工程系教授、勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室合成生物學(xué)中心主任凱阿斯林（J.Keasling）在UCB創(chuàng)建了合成生物學(xué)系。2007年，歐盟也啟動(dòng)了“合成生物學(xué)——新的及剛出現(xiàn)的科 學(xué) 技 術(shù) 引 導(dǎo) 項(xiàng) 目 （EuropeanCommission projectII）”。第一屆 “合成生物學(xué)國際研討會”于2004年在MIT舉行，至今已舉辦了4屆。就目前來看，美國在合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究取得較快的發(fā)展并領(lǐng)先于全球，歐洲研究界由于生物倫理問題的激烈討論則進(jìn)展比較緩慢［3］。

當(dāng)前合成生物學(xué)的研究主要是設(shè)計(jì)具有一定功能的基因模塊，旨在通過操控微生物，從而找出制造功能生物體甚至能源替代品等更經(jīng)濟(jì)有效的新方法，但這些模塊沒有獨(dú)立完成其功能的能力，必須借助于宿主細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)。目前已經(jīng)在功能回路設(shè)計(jì)、細(xì)菌膠卷、藥物合成、人工合成基因組等方面取得一些研究進(jìn)展，具備了一定工程化與產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)［4-5］。

2.1 功能回路的設(shè)計(jì)

合成生物學(xué)早期的設(shè)計(jì)策略是借鑒天然生物系統(tǒng)和人造的非生物系統(tǒng)，這些研究顯示了數(shù)學(xué)模型在基因電路設(shè)計(jì)上扮演的重要角色。生物學(xué)家力圖用生物系統(tǒng)中的基本組件（基因、蛋白質(zhì)等）合成出具有某些特定生物學(xué)功能的回路，并在細(xì)菌中成功設(shè)計(jì)了第一個(gè)基因電路——周期振蕩器［6］。最近已在酵母和哺乳動(dòng)物中獲得成功。

研究人員試圖控制細(xì)胞的行為，研制不同的基因線路——即特別設(shè)計(jì)的、相互影響的基因。蛋白水平的振蕩器模塊對細(xì)胞活動(dòng)（細(xì)胞周期、生理節(jié)奏循環(huán)等）非常重要。2000年，當(dāng)時(shí)就職于普林斯頓大學(xué)的埃洛維茨（M.Elowitz）及其同事設(shè)計(jì)的環(huán)形振蕩器能夠模仿這些振蕩系統(tǒng)的行為，它包括三個(gè)轉(zhuǎn)錄抑制蛋白，每個(gè)抑制蛋白都抑制下一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄，當(dāng)某種特殊蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，便形成一個(gè)環(huán)狀回路，起到有機(jī)振蕩器的作用，從而打開了利用生物分子進(jìn)行計(jì)算的大門。設(shè)計(jì)過程的重點(diǎn)在于建立系統(tǒng)的基礎(chǔ)定量模型，這樣就可以確定系統(tǒng)的主要參數(shù)和振蕩周期。

波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師科林斯（J.Collins）的研究組在2000年設(shè)計(jì)了觸發(fā)器開關(guān)功能的基因電路，研制出一種“套環(huán)開關(guān)”，所選擇的細(xì)胞功能可隨意開關(guān)。該回路運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)具有雙穩(wěn)態(tài)和記憶功能，科林斯小組的基因觸發(fā)器開關(guān)采用的是兩個(gè)相互抑制的基因，它們分別編碼另外一個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄抑制蛋白。多種轉(zhuǎn)錄抑制蛋白進(jìn)行各種組合。就可以形成不同開關(guān)。如果外界刺激對抑制作用的強(qiáng)度不同，那么系統(tǒng)就會趨向一種穩(wěn)定狀態(tài)，即一個(gè)基因被抑制，另一個(gè)完全轉(zhuǎn)錄。

2.2 細(xì)菌膠片

大腸桿菌是與人類共生的最常見細(xì)菌，會引起食物中毒和腹瀉。光敏色素是結(jié)合在植物和一些細(xì)菌的細(xì)胞膜上的光受體，是一種蛋白質(zhì)，大腸桿菌中沒有這種色素。2005年，美國加州大學(xué)的沃伊特（C.Voigt）研究組及其合作者設(shè)計(jì)了一個(gè)能感光的細(xì)菌基因回路，利用遺傳工程方法將其引人大腸桿菌，使改造的大腸桿菌能夠感光，并且在感光后分泌化學(xué)物質(zhì)，這樣的大腸桿菌菌落暴露在光照下具有膠片的功能，能產(chǎn)生高清晰度的化學(xué)圖像。研究者利用藍(lán)藻的植物色素胞外感光模塊與大腸桿菌 EnvZOmpR雙成分系統(tǒng)的胞內(nèi)組氨酸激酶信號區(qū)構(gòu)造了一個(gè)蛋白嵌合體作為光受體，在黑暗中時(shí)磷酸化的OmpR轉(zhuǎn)錄因子對目標(biāo)啟動(dòng)子進(jìn)行調(diào)控，誘導(dǎo)基因LacZ表達(dá)，最終生成黑色產(chǎn)物，即輸出黑色信號：而暴露在光照下時(shí)，則輸出白色信號。每一個(gè)具有感光及色素合成基因回路的大腸桿菌都可成為照片上的像素點(diǎn)。

這種具有圖像處理功能的新型基因線路的創(chuàng)造，證明了在新生的合成生物學(xué)中，可以利用的工具及方法的巨大能力及可用性。經(jīng)編程的光調(diào)控原理將能使單個(gè)細(xì)胞或群體細(xì)胞的基因表達(dá)可在時(shí)間上和空間上進(jìn)行控制，這在細(xì)菌微晶成像、生物復(fù)合材料生產(chǎn)及多細(xì)胞信號網(wǎng)絡(luò)的研究中有潛在的應(yīng)用。

2.3 藥物合成

在簡單生物，比如大腸桿菌和釀酒酵母中，可以設(shè)計(jì)代謝途徑和模塊組成的生物級鏈來改變正常的細(xì)胞代謝，從而產(chǎn)生一些非天然的代謝物或使合成轉(zhuǎn)向人們感興趣的代謝物。這些代謝物可能是目標(biāo)物質(zhì)，也可能是中間體。有關(guān)抗瘧藥物青蒿素微生物工業(yè)化合成的研究工作是合成生物學(xué)研究的典范之作。

瘧疾是人類的宿敵。西方最早發(fā)現(xiàn)的抗瘧藥是奎寧，但因長期使用而使其療效一降再降。1972年，中國在中藥材黃花蒿中提取出了抗瘧有效物質(zhì)青蒿素，但植物提取成本高，無法大規(guī)模普及。2002年世界合成生物學(xué)領(lǐng)軍人物之一、USB的Keasling教授，利用合成生物學(xué)技術(shù)，開始對微生物進(jìn)行工程化操作，使得該微生物可以進(jìn)行合成青蒿素所必須的化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到顯著降低生產(chǎn)成本的目的。2003年，實(shí)驗(yàn)取得初步成功。通過將來自酵母和來自青蒿的基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌，繞過大腸桿菌的一般代謝途徑并啟動(dòng)酵母甲羥戊酸途徑，研究人員可以誘導(dǎo)大腸桿菌合成青蒿素的前體分子amorphadiene。雖然起初的合成效率很低，但通過基因重組和其他手段，最終大腸桿菌合成amorphadiene的能力提高了百萬倍。2004年，Keasling獲得比爾和梅琳達(dá)·蓋茨基金會 （Bill and Melinda Gates Foundation）4260萬美元的資助，以進(jìn)一步開發(fā)這種青蒿素微生物合成技術(shù)。2005年Keasling實(shí)驗(yàn)室把一種特殊的酶植入酵母而把代謝中產(chǎn)生的中間化合物改造成青蒿酸（artemisinic acid）——青蒿素的一種更加直接的前體。對酵母菌的遺傳改造經(jīng)過三個(gè)步驟：首先，研究小組在酵母中構(gòu)建與大腸桿菌中同樣的代謝通路，隨后將大腸桿菌和青蒿的若干基因?qū)虢湍窪NA中，導(dǎo)入的基因與酵母自身基因組相互作用產(chǎn)生amorphadiene。最后，將從青蒿中克隆的酶P450基因在產(chǎn)amorphadiene的酵母菌株中進(jìn)行表達(dá)，從而將amorphadiene轉(zhuǎn)化為青蒿素。至此，可以說通過微生物工業(yè)生產(chǎn)青蒿素的技術(shù)鏈條已基本成形，剩下的只是如何進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)了。如果這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的話，青蒿素的成本將下降90%。

2008年 ，Keasling實(shí) 驗(yàn) 室 創(chuàng) 辦 了 Amyris Biotechnologies公司，與世界知名醫(yī)藥企業(yè)賽諾菲-安萬特（Sanofi-aventis）集團(tuán)建立新的合作關(guān)系，共同致力于大規(guī)模、低成本青蒿素生產(chǎn)工藝的開發(fā)。Keasling表示，用來進(jìn)行青蒿素生產(chǎn)的生物合成技術(shù)，同樣可以用來進(jìn)行下一代生物柴油的開發(fā)。

2.4 人工合成基因組

創(chuàng)造能夠表達(dá)非天然氨基酸（20種天然氨基酸之外）的細(xì)胞是人工合成基因組一個(gè)特別的應(yīng)用。非天然氨基酸摻入蛋白序列是合成生物學(xué)設(shè)計(jì)新蛋白的一個(gè)策略。這種策略對天然蛋白質(zhì)的折疊和功能研究有重要作用。現(xiàn)在已有大約超過30種非天然氨基酸被人工插入到生物體合成的天然蛋白質(zhì)中。但是現(xiàn)在活體內(nèi)插入非天然氨基酸的策略受到限制，一種蛋白質(zhì)中只能插入很少的非天然氨基酸。隨著特別基因組序列合成的實(shí)現(xiàn)，將會去除20個(gè)天然氨基酸的同義密碼子現(xiàn)象，只有20個(gè)密碼子特異性編碼20種天然氨基酸，其余的密碼子將用來編碼非天然氨基酸。如果成功將會實(shí)現(xiàn)多種非天然氨基酸的插入，并且對細(xì)胞功能沒有特別的影響。

2008年，美國諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者漢密爾頓·史密斯（Hamilton Smith）等人在《科學(xué)》上發(fā)表了世界上第一個(gè)完全由人工化學(xué)合成、組裝的細(xì)菌基因組的文章。2009年8月，他們又成功地將該基因組轉(zhuǎn)入到Mycoplasma genitalium宿主細(xì)胞中，獲得了具有生存能力的新菌株。該研究使人工合成生命這一合成生物學(xué)終極目標(biāo)取得了歷史性突破，為創(chuàng)造可用于生產(chǎn)藥物、生物燃料、清理毒性廢物等方面的人工基因組奠定了基礎(chǔ)。

2010年5月，克雷格·文特爾研究所首次創(chuàng)造了一個(gè)完全由人造基因指令控制的人造細(xì)胞。據(jù)報(bào)道，創(chuàng)造這個(gè)可復(fù)制的試驗(yàn)性單細(xì)胞生物花費(fèi)了4000萬美元。對此項(xiàng)成果，科學(xué)界評價(jià)不一。美國羅格斯大學(xué)（Rutgers University）分子生物學(xué)家埃布賴特（Richard Ebright）指出，這確實(shí)是人與自然關(guān)系的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，歷史上第一次有人創(chuàng)造了一個(gè)完整的帶有預(yù)定特性的人造細(xì)胞。斯坦福大學(xué)生命醫(yī)學(xué)倫理中心主任馬格納（David Magnus）認(rèn)為，它有可能改變基因工程。Collins則認(rèn)為，這不代表著一種人造生命形式的誕生，而只是一個(gè)帶有人造基因組的生物體，而非人造生物體。但多數(shù)生物學(xué)家還是相信創(chuàng)造這個(gè)細(xì)胞所使用的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)將很快應(yīng)用于合成其他具商業(yè)價(jià)值的菌株。

3 合成生物學(xué)廣闊的應(yīng)用前景

盡管合成生物學(xué)的商業(yè)應(yīng)用多數(shù)還要幾年以后才能實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在研究人員已經(jīng)在利用合成生物體來研制下一代清潔的可再生生物燃料以及某些稀缺的藥物，在未來幾年有望取得迅速進(jìn)展。位于麻省的BCC Research市場調(diào)研公司的調(diào)查顯示，2008年全球的合成生物學(xué)市場約為2億3400萬美元，基本均等分布在三個(gè)領(lǐng)域：能源與化工，生物技術(shù)和醫(yī)藥，以及合成生物學(xué)的技術(shù)研發(fā)。調(diào)查分析預(yù)測，到2013年，全球市場將擴(kuò)大10倍，即達(dá)到24億美元，并將形成能源與化工領(lǐng)域主導(dǎo)的情況。科學(xué)家們普遍認(rèn)為，合成生物學(xué)在很多領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O好的應(yīng)用前景，這些領(lǐng)域包括更有效的疫苗的生產(chǎn)、新藥和改進(jìn)的藥物、以生物學(xué)為基礎(chǔ)的制造、利用可再生能源生產(chǎn)可持續(xù)能源、環(huán)境污染的生物治理、可以檢測有毒害化學(xué)物質(zhì)的生物傳感器等。

3.1 生物醫(yī)藥

隨著人們對生命發(fā)育、運(yùn)作程序的逐步探索，生命運(yùn)作的每個(gè)細(xì)節(jié)都被揭露，整合分子工程學(xué)和計(jì)算機(jī)生物學(xué)，運(yùn)用合成生物學(xué)的技術(shù)，在藥物設(shè)計(jì)和給藥途徑的設(shè)計(jì)上人類將變得越來越有創(chuàng)新性。合成生物學(xué)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究開發(fā)主要有兩個(gè)方向：一是次生代謝鏈（如青篙素）與基因網(wǎng)絡(luò)的人工設(shè)計(jì)使藥物分子或生物材料可規(guī)?；a(chǎn)；二是誘導(dǎo)細(xì)胞分化與遺傳程序化重編而人工設(shè)計(jì)細(xì)胞功能。

利用合成生物學(xué)構(gòu)建基因功能模塊在腫瘤細(xì)胞中將藥物前體轉(zhuǎn)變?yōu)闅⑺滥[瘤細(xì)胞的藥物是一種有前途的腫瘤化療方法。這些合成的生物藥可能更容易接近腫瘤組織，有選擇性地殺死癌細(xì)胞。2007年11月《自然·方法》雜志報(bào)道，科學(xué)家構(gòu)建了一種乙酰水楊酸控制胞嘧啶脫氨酶合成的功能模塊，植入非致病性的腸道沙門氏菌。乙酰水楊酸是最廣泛使用的抗炎藥物之一?？诜阴Ｋ畻钏岷?-氟胞嘧啶藥物后由于人體正常細(xì)胞沒有胞嘧啶脫氨酶，5-氟胞嘧啶對正常細(xì)胞沒有毒性作用。但在富集帶有功能模塊的5-氟胞嘧啶腸道沙門氏菌的腫瘤組織中，乙酰水楊酸誘導(dǎo)腸道沙門氏菌中功能模塊的胞嘧啶脫氨酶生成，把5-氟胞嘧啶轉(zhuǎn)化為5-氟尿嘧啶藥物，殺滅腫瘤細(xì)胞。

MIT的計(jì)算機(jī)工程師維斯（Vis）和加州理工學(xué)院化學(xué)工程師阿諾爾（Arnol）一起，采用“定向進(jìn)化”的方法，精細(xì)調(diào)整研制線路，將基因網(wǎng)絡(luò)插入細(xì)胞內(nèi)，有選擇性地促進(jìn)細(xì)胞生長。維斯（Vis）同時(shí)在研究為成年干細(xì)胞編程，以促進(jìn)某些干細(xì)胞分裂成骨細(xì)胞、肌肉細(xì)胞或軟骨細(xì)胞等，讓細(xì)胞去修補(bǔ)受損的心臟或生產(chǎn)出合成膝關(guān)節(jié)。盡管該工作尚處初級階段，但卻是生物學(xué)調(diào)控領(lǐng)域中重要的進(jìn)展。

3.2 能源和化工

運(yùn)用合成生物學(xué)還可以制成各種各樣的細(xì)菌，用來消除水污染、清除垃圾、處理核廢料等。利用合成生物學(xué)可以生產(chǎn)替代燃料和可再生能源。近年來，能源危機(jī)不斷升級，將合成生物學(xué)應(yīng)用到能源領(lǐng)域中的想法也順勢而生，Keasling及其同事哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)及基因組學(xué)教授George Church和斯坦福大學(xué)植物學(xué)教授Chris Somerville通過基因工程方法對大腸桿菌進(jìn)行改造，讓它將單糖生成更復(fù)雜的生物燃料（可直接應(yīng)用的生物燃料）——脂肪酯（fatty esters）、脂肪醇（fatty alcohol）和蠟（waxes）。他們進(jìn)而又讓大腸桿菌來分泌半纖維素酶，它是來自植物的生物質(zhì)的一個(gè)主要成分，可以將纖維素轉(zhuǎn)化為生物燃料［7］。

美國LS9生命科技公司在David Berry博士的帶領(lǐng)下，正在設(shè)計(jì)接近于像來自于石油一樣的燃料。他們利用來自多種生物（包括細(xì)菌、植物、動(dòng)物等）的基因及用來生產(chǎn)脂肪酸的生化途徑，用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造出一些代謝模塊，插入微生物后，通過不同的組合，這些模塊可以誘導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品。他們通過計(jì)算，設(shè)計(jì)制造出微生物以所希望的方式生產(chǎn)并分泌出長度及分子結(jié)構(gòu)符合公司要求的烴分子。與目前的燃料乙醇生產(chǎn)技術(shù)相比，由于不需要能耗非常高的乙醇精餾技術(shù)，從而可使能耗降低65%。由于采用了合成生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)創(chuàng)造微生物這種尖端技術(shù)，這種石油烴是可再生的、清潔的、成本可競爭的、與現(xiàn)有的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及汽油供應(yīng)系統(tǒng)是可兼容的。

3.3 生物反恐

借助合成生物學(xué)可以把網(wǎng)絡(luò)同簡單的細(xì)胞相結(jié)合，提高生物傳感性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。德魯·恩迪（Drew Endy）提出，可制造一種生物機(jī)器用來探測化學(xué)和生物武器，發(fā)出爆炸物警告。維斯（Vis）目前正在研究另外一群稱為“規(guī)則系統(tǒng)”的基因，使細(xì)菌能估計(jì)刺激物的距離，并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)。該項(xiàng)研究可用來探測地雷位置：當(dāng)它們靠近地雷時(shí)細(xì)菌發(fā)綠光，遠(yuǎn)離地雷時(shí)則發(fā)紅光。

4 結(jié)論與建議

4.1 大力加強(qiáng)合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究，建立國家級的合成生物學(xué)研究基地

合成生物學(xué)在人類認(rèn)識生命、揭示生命奧秘、重新設(shè)計(jì)及改造生物等方面具有重大的科學(xué)意義。目前，通過各種合成生物學(xué)會議的討論以及iGEM（國際基因工程機(jī)器設(shè)計(jì)）競賽的推廣，合成生物學(xué)已經(jīng)引起了國際社會的廣泛關(guān)注。與國外相比，我國在合成生物學(xué)方面的研究還處于起步階段。雖然我國在合成生物學(xué)所需的相關(guān)支撐技術(shù)研究方面并不落后于國際主流水平，如大規(guī)模測序、代謝工程技術(shù)、微生物學(xué)、酶學(xué)、生物信息學(xué)等方面均有良好的基礎(chǔ)。但是，在合成生物學(xué)方向的研究還處在零星研究階段。

我國合成生物學(xué)的發(fā)展需要若干核心技術(shù)的建立與發(fā)展，國家級的計(jì)劃與投入十分重要。應(yīng)大力發(fā)展微生物的跨學(xué)科定量研究，實(shí)施面向生物醫(yī)藥、生物能源和生物基產(chǎn)品等重要生物產(chǎn)品的合成生物學(xué)理論與技術(shù)的基礎(chǔ)研究，組成多學(xué)科合作的研究團(tuán)隊(duì)，在學(xué)科發(fā)展及國際競爭中取得先機(jī)。天津大學(xué)張春霆院士指出，合成生物學(xué)要取得重大突破，需要我們對其載體——微生物有透徹和定量化的了解，為工業(yè)微生物的開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，而這方面的研究正是目前國際國內(nèi)合成生物學(xué)發(fā)展最為薄弱的環(huán)節(jié)之一。

對比國外特別是美國合成生物學(xué)的發(fā)展過程，我國應(yīng)整合優(yōu)勢學(xué)科資源，從醫(yī)藥、能源和環(huán)境等產(chǎn)業(yè)重大產(chǎn)品入手，抓住合成生物學(xué)的核心科學(xué)問題，適時(shí)建立國家級的合成生物學(xué)研究中心或研究所，引領(lǐng)中國合成生物學(xué)的原創(chuàng)研究和自主創(chuàng)新。

4.2 合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)著眼于戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思維

利用合成生物學(xué)方法和理論，對生命過程或生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成，創(chuàng)造解決生物醫(yī)藥、環(huán)境能源、生物材料等問題的微生物、細(xì)胞和蛋白，對于解決與國計(jì)民生相關(guān)的重大生物技術(shù)問題有著長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義和現(xiàn)實(shí)的策略意義。合成生物學(xué)所具備的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)特性表明，它可能會引領(lǐng)巨大的技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)變遷，需要引起我國政府決策者的高度重視。

從歷史的角度出發(fā)，合成生物學(xué)所帶來的生物技術(shù)革命的重要性可以與19世紀(jì)歐洲發(fā)生的工業(yè)革命和20世紀(jì)在美國發(fā)生的信息革命相類比。如同信息技術(shù)在電子領(lǐng)域的應(yīng)用一樣，將合成生物學(xué)應(yīng)用于能源領(lǐng)域，將有可能創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)模式，工業(yè)經(jīng)濟(jì)是依靠化石能源的“化石經(jīng)濟(jì)”，如果生物燃料能大范圍地取代石油，那么將從根本上改變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

針對我國在能源、環(huán)境、健康等方面的需求與挑戰(zhàn)，合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)著眼于戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思維，大力發(fā)展合成生物學(xué)的技術(shù)平臺建設(shè)，為可能到來的新的經(jīng)濟(jì)模式提前布局。

4.3 在生物安全、倫理、知識產(chǎn)權(quán)等方面建立必要的法規(guī)和制度

合成生物學(xué)這個(gè)新興領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展對政府的監(jiān)管提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。美國Peter D.Hart研究協(xié)會（Peter D.Hart Research Associates）的一項(xiàng)調(diào)查表明，應(yīng)用領(lǐng)域是影響公眾對合成生物學(xué)態(tài)度的決定性因素。盡管知悉其潛在的風(fēng)險(xiǎn)，超過一半的受訪者支持合成生物學(xué)以發(fā)展生物燃料為目標(biāo)的研究。同時(shí)，由于其潛在的風(fēng)險(xiǎn)，三分之二的參與者也支持政府對這一新興技術(shù)的監(jiān)管。

保障生物安全非常重要的一項(xiàng)因素是源頭安全。像其他新技術(shù)一樣，合成生物學(xué)的早期應(yīng)用引發(fā)的安全性問題應(yīng)予以重視。政府在制定政策時(shí)必須做出權(quán)衡，一方面是如何收獲新產(chǎn)品的利益，另一方面是如何預(yù)防對環(huán)境和公共健康的潛在危害。合成生物學(xué)的研究比當(dāng)前的轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因工程等更加前衛(wèi)。在轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)方面，立法者對轉(zhuǎn)基因生物體進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，一般是通過將轉(zhuǎn)基因生物體與為人們所熟知的同類的非轉(zhuǎn)基因生物進(jìn)行比較分析，從而認(rèn)識增加的遺傳物質(zhì)的功能，即通過將自然存在的物種與轉(zhuǎn)基因物種進(jìn)行比較，來確保新的有機(jī)體像其傳統(tǒng)的同類物質(zhì)同樣安全。而先進(jìn)的合成微生物的復(fù)雜性，則給根據(jù)遺傳序列和結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能預(yù)測增加了新的不確定性?，F(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)評估方法無法用來預(yù)測復(fù)雜的適應(yīng)系統(tǒng)。此外，盡管許多科學(xué)家認(rèn)為轉(zhuǎn)基因生物體在自然環(huán)境中可能無法生存或繁殖，但合成有機(jī)體可以發(fā)生變異和進(jìn)化，因此，我們必須早做準(zhǔn)備，從大力發(fā)展我國合成生物學(xué)技術(shù)的開始，決策者就應(yīng)考慮如何對這項(xiàng)新興的融合技術(shù)進(jìn)行約束，對研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)有安全性評估，在產(chǎn)品開發(fā)的同時(shí)也要開展風(fēng)險(xiǎn)研究，要在生物安全、倫理、知識產(chǎn)權(quán)等方面建立必要的法規(guī)和制度，以保證合成生物學(xué)在我國的健康快速發(fā)展。

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The Research Progress and Future Application of Synthetic Biology

Zhu Xinhua，Li Zhe
（Chinese Academy of Science and Technology for Development,Beijing 100038，China）

This paper introduces the concept of the synthetic biology,recent progress and potential applications.Based on the technology and the economics characteristics of the synthetic biology,the author puts forward three proposals:Strengthening basic research in synthetic biology vigorously and establishing national research base of synthetic biology;Focusing on the strategic development of new industries in synthetic biology of China;Establishing the necessary rules and regulations in the biosecurity, ethics,intellectual property and so on.

synthetic biology;progress;foreground;suggestion

河北省企業(yè)科技創(chuàng)新自組織動(dòng)力機(jī)制與生態(tài)學(xué)培育路徑研究（HB10XG L175）。

2010-11-10

朱星華（1977-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，管理學(xué)碩士，副研究員；研究方向：產(chǎn)業(yè)技術(shù)政策與科技平臺建設(shè)管理。

Q-1

A

（責(zé)任編輯 遲鳳玲）