淺談合成生物學的應用

1.前言

合成生物學無疑會推動生物燃料、特種化學品、農業和藥物等方面的進步。目前，科學家們已經不侷限於非常辛苦地進行基因剪接，而是開始構建遺傳密碼，以期利用合成的遺傳因子構建新的生物體。合成生物學在未來幾年有望取得迅速進展。據估計，合成生物學在很多領域將具有極好的應用前景，這些領域包括更有效的疫苗的生產、新藥和改進的藥物、以生物學為基礎的製造、利用可再生能源生產可持續能源、環境汙染的生物治理、可以檢測有毒化學物質的生物感測器。合成生物學是近年來新興的一門學科，與傳統生物學通過解剖生命體以研究其內在構造不同，合成生物學從最基本的生命要素開始研究，目的是建立人工生物體系。換句話說，這門學科是設計自然界中原本不存在的生物或對現有生物進行改造。

2.合成生物學

合成生物學主要研究4個方面的內容：細胞是由蛋白質、核酸與其他分子組成的一個網路，合成生物學首先要研究的是細胞網路；二是研究基因線路。“基因線路”（genecircuit）又稱遺傳線路圖是指在合成生物學中，由各種調節元件和被調節的基因組合成的遺傳裝置（geneticdevice），可以在給定條件下可調、可定時定量地表達基因產物。利用轉錄水平、轉錄後水平等的控制機制，合理組合轉錄基元、基礎基因線路、基因模組的拓撲結構，目前遺傳線路的功能主要可以分為兩大類：邏輯基因線路（模擬各種邏輯關係和數字元件的遺傳線路）和其他功能基因線路（具有特定生物功能的遺傳線路）；三是合成生物材料與物質；四是最小基因組與合成生物。在《最小基因組與生命起源》吳家睿的一篇文章中寫到：“生殖道支原體是一種寄生細菌，它的基因組是目前已測定的物種基因組中最小的一個，僅有468個基因。科學家將它的基因組與另外一種細菌流感嗜血桿菌的基因組序列進行了詳細的比較，發現有240個生殖道支原體基因與流感嗜血桿菌基因存在垂直同源性，因此認為最小基因組需要大約250個基因。

3.合成生物在基因方面的應用

合成生物學技術包括DNA的合成，來自細菌、酵母及植物等多種基因及代謝途徑的組裝，多基因的精密調控等。利用合成生物學技術可以合成非天然的氨基酸和鹼基，如2003年，Schultz小組在大腸桿菌的蛋白質合成系統中引入新的化學成分，從而成功地合成包含非天然氨基酸的蛋白質；2006年，Benner小組通過引入新的鹼基對，成功發展了人工生命遺傳系統。

4.能源領域的應用

利用合成生物學技術還可以合成能源物質——氫和石油。PLOSONE2007年發表了美國VirginiaTech生物系統工程系教授Y-PZhang等人的論文。他們利用合成生物學原理，用13個已知的酶來完成一個重要反應，這13個酶形成了一條非天然酶催化途徑。隨著技術發展及與燃料電池的整合，該技術有望解決與氫氣的儲存、銷售有關的難題，因而在汽車中的應用具有巨大潛力。美國LS9可再生石油公司的研究人員正利用來自多種生物（包括細菌、植物、動物等）的基因及用來生產脂肪酸的生化途徑，用合成生物學方法創造出一些代謝模組，插入微生物後，通過不同的組合，這些模組可以誘導微生物生產原油、柴油、汽油或基於烴的'化學品。

5.合成生物在我國的應用

上海在近期也成立了合成生物學實驗室，該實驗室的前身是分子微生物學開放實驗室，該實驗室已在鉤端螺旋體的基因組學研究、SARS冠狀病毒的進化基因組、線型質粒的功能及發展特殊遺傳操作體系、放線菌代謝途徑及其調控機理的解析、丙酮丁醇梭菌的選育和遺傳改造及應用、酶的結構與功能關係研究和改造與工業化應用等方面取得了一系列突出成果。目前實驗室的研究方向包括生物質合成的分子設計、能源植物改造、能源和醫藥化工產品的高效生物合成，近期將重點開展能源生物和生產重要次生代謝物“超級鏈黴菌”的設計與構建的研究。

6.小結

隨著用於進行合成生物學研究的各項技術，如遺傳工程技術、微生物工程技術、計算機技術和合成基因組學技術的日趨成熟，合成生物學的研究將取得更大的進步，並在解決人類能源、環境、醫療、藥物生產等問題上發揮更大的作用。應該鼓勵和規範合成生物學方面應發揮的作用。