科技热点 | 解读生命“密码”，造物致用：合成生物学- 大数跨境

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科技热点 | 解读生命“密码”，造物致用：合成生物学

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2022-02-12

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合成生物学的概念

合成生物学（Synthetic biology）是生命科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科。如果说生命科学的发展，从上世纪发现DNA双螺旋结构与中心法则，到本世纪初完成人类基因组计划，是“理解生命”的过程，那么近年来合成生物学的兴起与发展，则是人们开始尝试“再造生命”的过程，生命科学的研究进入了一个新时期。

合成生物学是一门涉及生物化学、物理化学、分子生物学、系统生物学、工程学以及计算科学等多个领域的新兴综合性交叉学科，旨在设计和构建工程化的生物系统，包括基因线路、信号级联及代谢网络的构建等，使其能够处理信息、操作化合物合成、制造材料、生产能源、提供食物、改善人类的健康和生存环境，以可预测和可靠的方式得到新的细胞行为。合成生物学将工程原理应用于生物体与生命系统，以工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，是生命科学研究的新兴、前沿领域。

合成生物学的起源及发展

合成生物学源自于对生命体机制的发现过程，随着生命科学的发展与其他学科的交叉融合而逐渐建立起来。1970年代，DNA重组与转化技术的建立开启了基因工程时代，同时期人工合成了酪氨酸阻遏tRNA基因；本世纪初人类基因组计划的完成推动生命科学进入组学和系统生物学时代；2002年，第一个人工合成的病毒——脊髓灰质炎病毒由美国纽约州立大学Wimmer小组合成；2003年，J.C.Venter实验小组合成了噬菌体基因组；2008年，Venter实验室又合成了Mycoplasma genitalium生殖道支原体基因组；2010年，美国科学家宣布世界首例人造生命——完全由人造基因控制的单细胞细菌诞生了；2010年代基因编辑技术飞速发展，CRISPR/Cas9技术为更高效操纵DNA提供了有力的支持，合成生物学也进入了高速发展的新时期。

近几年，合成生物学在学科融合的背景下逐渐成熟。研究者们提出了合成生物学研究的一般流程，即设计-构建-测试-学习（Design-Build-Test-Learn，DBTL）循环，形成研究和技术开发过程体系。即合成生物学的一般流程分为四个阶段，首先在计算机进行设计，选择宿主生物、使用模型和模拟设计相应模型，再利用分子生物学等手段依据计划进行构建，然后在生物反应器进行生产能力、组学等方面的测试，最后进入学习阶段，综合数据分析并与预定规格进行比较，以便后续再进行设计，通常需要多次迭代才能实现。

合成生物学的应用

合成生物学以生命的基本规律为基础，将系统设计的工程方式应用于生物系统，有目的地设计和建造生物模块或生物系统，或对现有生物系统进行重新设计，以产生自然界中不存在的新颖功能的系统。合成生物学的应用，一方面是人工制造生命体——在制造中更深入理解生命；另一方面是人工改造生命体——改造后应用生命体制造物质。这些应用的基础，都始于对DNA分子的操纵。DNA是生命的蓝图，所有生命活动遵循同一套法则（中心法则），DNA中储存的遗传信息可以复制，也可以通过转录出RNA，并翻译出蛋白质，实现各类生命活动。经过这一复杂而有序的过程，构成生命。而合成生物学，就是基于这一基本原理，引入工程学概念，人工组装DNA分子片段，去控制生命活动，再造生命或是用于合成物质。

合成生物学的应用领域

合成生物学的应用领域包含工业、诊疗与医药、食品、农业、环境、能源、材料等方面。理论上来说，世界上任何生命能产生的物质，都可以让快速生长的、易培养的微生物大量生产，甚至自然界没有的物质，也可能用生物方法创造出来。微生物就像一个微型工厂，即 “细胞工厂”。细胞工厂是利用可再生的生物质资源为原料生产各种化学品，主要依托技术为代谢工程。而代谢工程是“有目的地改变代谢、基因调控和信号传导网络，以实现所需化学品的增产”，是目前合成生物学领域重要的研究方向。设计或改造宿主细胞，利用细胞将底物进行转化，生产得到需要的产品，如食品添加剂、药物或药物前体、生物能源、生物材料等。

合成生物学在生物医药领域的发展

合成生物学在生物医药行业的发展中也将扮演重要的角色。合成生物学在药物合成中的有着天然的优势：首先，很多有效的药物分子是纯天然产物，如一些氨基酸、抗生素、生物碱，它们由生物体的自然途径合成，也能通过微生物系统进行生物合成；其次，生物体的复杂性决定了分子合成的路径具有复杂的多级调控，而合成生物学的方法可以很好地研究、利用这些调控机制，并可利用工程学方法开发与生产。目前，合成生物学已经进入了全新的时代，基于微生物的生物合成系统日渐成熟，大量生物合成元件标准库即将建立，人工设计构建“细胞工厂”将在药物制造中扮演日益重要的角色。未来的生物制药行业，在合成生物学的促进下，已经看到了新的曙光。

合成生物学是二十一世纪初新兴的生物学研究领域，是在阐明并模拟生物合成的基本规律之上，达到人工设计并构建新的、具有特定生理功能的生物系统，从而建立药物、功能材料或能源替代品等的生物制造途径。中国科学院院士邓子新认为：“在合成生物学已处在全世界蓬勃发展的历史性机遇面前，探讨在我国开展合成生物学的研究对象与最佳切入点，发展和建立合成生物学新理论、新方法及相应的技术支撑体系，这对提升我国现代化生物技术水平、抢占合成生物学研究制高点有极大的意义。”

撰稿：郑筱翔
审稿：滕云詹威强

参考文献：

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