Science最新專題：合成生物學

日期：2011-09-05 10:18:57

合成生物學（Synthetic Biology），簡單而言就是以人工手段制造生物系統，與傳統生物學通過解剖生命體以研究其內在構造的辦法不同，合成生物學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。與基因工程把一個物種的基因延續、改變并轉移至另一物種的作法不同，合成生物學的目的在于建立人工生物系統（artificial biosystem），讓它們像電路一樣運行。

這一學科之所以被譽為第四次科技浪潮中的弄潮兒，在于它可將impossible變成every thing is possible，合成生物學的最高境界是靈活設計和改造生命，重塑生命體。這門學科真正進入大眾視野，是緣自2010年首個人造單細胞生物“辛西婭”（Synthia）的誕生，這一發現也入選了2010年Science十大科學突破。

9月2日最新一期的Science雜志就以Synthetic Biology為核心展開了專題介紹，其中包括1篇前言介紹，4篇新聞，2篇評論,1篇展望和1篇政策論壇文章。

首先Valda Vinson和Elizabeth Pennisi就以“合成生物學的誘惑”（The Allure of Synthetic Biology）為題進行了介紹，自從1972年美國Paul Berg第一次成功地進行了DNA重組后，生物學家們便開始廣泛致力于各種合成、重構和改造生物基因組的研究工作。近年來隨著大規?；蚪M測序技術和分析方法的成熟，生命科學研究進入了基因組時代。而合成生物學正是在以基因組為核心的現代生物學和系統生物學基礎上發展起來的一個工程生物學的熱點研究領域。

合成生物學的研究目前主要朝著兩個方向發展。一是設計、建造具有生物功能的元件如生物分子或反應系統、生物裝置和基因網絡、多元件組成的功能單位及其更高級復雜系統的組裝等。二是開發建立生物制造所需要的技術，包括如大分子基因組合成技術，生物功能元件的分析與測試技術，生物體信息的捕獲與處理技術，系統模擬與控制技術等。實現手段涉及生物、化學、物理、材料、制造、信息等學科領域的方法和技術。

由于合成生物學囊括了與人類自身和社會發展相關的各個研究方向和內容，以解決人類可持續發展所面臨的重大挑戰性問題，如生物醫學、藥物合成、可循環化工、環境與能源、生物材料以及生物反恐等問題，因而被預言為未來生物技術經濟發展的主要推動力。

近年來合成生物學研究進展迅速，其中我們也可以看到中國及華人學者在其中做出的重要貢獻。近期來自奧地利國際對話與沖突研究所(IDC)生物安全組裴雷博士與中國科學院植物研究所的研究人員聯合發表了題為“Synthetic biology: An emerging research field in China”的綜述性文章，介紹了目前中國合成生物學研究的現狀和一些不同的研究亞方向，以及對于國內合成生物學發展的展望，這篇綜述發表在Biotechnology Advances雜志上。

加州理工學院的華裔博士錢璐璐與Erik Winfree教授課題組研究人員今年6月在《Science》雜志上發表研究論文稱他們利用一種新型的DNA分子元件在試管中構造出迄今最大最復雜的人工生化電路。這種生化電路可以使研究人員探索生物系統處理信息的原理，以及設計具有決策能力的生化通路。這種電路將會賦予生化學家對應用于生物工程、化學工程以及生化工業中的分子反應前所未有的掌控能力。比如說在未來，一個設計合成的生化電路可以被放入臨床血液樣本中，檢測各種分子的在樣本中的水平，然后根據這些信息作出病理學的診斷。

緊接著在7月，這一課題組再次在試管中用DNA構造出了人工神經網絡，這一人工神經網絡可以像大腦一樣根據不完整的信息回想起相關的記憶。這標志科研人員在通往人工智能的道路上邁出了重要的一步。這一研究成果公布在Nature雜志上。研究人員表示這種具有人工智能的生化系統，或者至少是具有某些基本的決策能力的生化系統，可以在醫藥，化學以及生物領域帶來不可估量的應用。在將來，這樣的系統也許可以在細胞內工作，幫助回答根本的生物問題或者診斷疾病。如果一個生化過程能夠對其他分子的存在做出智能響應，它將會允許工程師們一步一個分子的制造出日益復雜的化學物質，或者搭建出新的分子結構。并且在科技應用之外，對這些系統的設計也可以帶給思維的進化過程以間接的認識。

另外，近日耶魯大學的研究人員成功對細菌中的蛋白質合成機制進行了遺傳學改造。這一研究成果發表在《科學》（Science)雜志上。

該論文的作者，細胞及分子生理學系的杰斯•萊因哈特（Jesse Rinehart）介紹說：“從本質上來說，我們已經擴展了大腸桿菌的遺傳密碼，這讓我們能夠合成以特殊形式，例如模擬天然狀態或者疾病狀態的蛋白質。”

耶魯研究小組的理念是, 通過修改遺傳密碼，用新的方式影響蛋白質的行為，使之能實現大多數的生命功能。他們并沒有創造自然界不存在的東西，而是誘發了磷酸化作用（phosphorylation）。磷酸化作用是生命體中最常見的基本生理過程，它能顯著改變蛋白的功能。通常，蛋白的磷酸化作用并不直接由DNA編碼指導合成，而是在蛋白質合成之后才開始，而這正是耶魯的研究人員們想要改寫的：他們希望把磷酸化過程添加到大腸桿菌的遺傳密碼中，通過DNA第一時間就能指導蛋白磷酸化。

過去，科學家們缺乏研究磷酸化狀態蛋白的能力，致使對某些疾病的研究停滯不前，例如蛋白活性極高的癌癥。而這項新技術實現了人類蛋白質的天然磷酸化體系，這對于理解疾病的發展至關重要。萊因哈特解釋說：“我們現在做的就是運用蛋白開關——把蛋白機制打開或關閉，這讓我們能以全新的方式研究疾病狀態，并有望引導新藥的研發。”

萊因哈特他們現在打算創建與癌癥、糖尿病以及高血壓相關的磷酸化蛋白質，不過他們強調說，這種技術能夠實現處理任何種類的蛋白質。