合成生物学研究进展及应用前景

闫建俊，白云凤，张忠梁，冯瑞云，张维锋

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院作物科学研究所，山西太原030032）

合成生物学是建立在系统生物学、生物化学、生物物理学、生物信息学等学科基础之上，旨在设计、改造、重构或创造生物分子，进而使这些分子在生命系统中具有活性功能。其包括两重含义：一是设计和构建新的生物零件、组件和系统；二是对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造。合成生物学从解构生命体到重构甚至创建生命体，拓展了人们对生物大分子及其相互关系的理解。2004年，美国的《技术评论》杂志将合成生物学列为新出现的将改变世界的十大技术之一。2007年，欧盟启动了《合成生物学——新出现的科学技术》引导项目。我国也有专家建议把合成生物学提升到关乎我国国民经济发展核心技术的高度来考虑[1]。

人类对合成生物分子乃至合成生命的探索由来已久，而20世纪60年代开始的对于核酸和蛋白质等有机物的人工合成为合成生物学奠定了基础。1965年，我国人工合成了结晶牛胰岛素，这是世界上首次人工合成的蛋白质，也是当时人工合成的具有生物活力的最大有机化合物[2]。1979年，Khorana等合成了酪氨酸阻遏tRNA及其编码基因[3]。1983，我国王德宝等[4]合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸（Yeastalanine tRNA），这是世界上最早人工合成的具有与天然分子相同化学结构和完整生物活性的核糖核酸。我国在合成生物学方面对世界贡献较大。

1 合成生物学的研究进展

1990年，美国牵头启动了人类基因组计划。在全球科学家的共同努力下，于2000年完成了人类基因组框架图。这期间积累的知识和技术极大地推动了合成生物学的发展，人们开始了从合成基因组到合成生命的探索。2000年1月，Gardner等[5]在大肠杆菌中构建了基因开关（Toggle switch），这是一个人工合成的双稳态基因调控网络；Elowitz等构建了第一个人工合成的生物振荡器——压缩振荡子（Repressilator），这2项事件标志着合成生物学作为一项新的领域正式产生。2002年，Wimmer小组[6]用无生命的化合物合成了具有侵染性的脊髓灰质炎病毒（Poliovirus）。该病毒是正单链RNA病毒，侵入细胞后，合成与正链RNA序列互补的负链RNA，然后再以负链RNA为模板，合成新的病毒基因组。Wimmer小组则不依赖天然模板，完全用化学方法先合成与病毒基因组RNA互补的cDNA，然后在体外转录出病毒的RNA，在无细胞培养液中翻译并复制，最终重新装配成具有侵染能力的病毒。将此病毒注入小鼠，能使其感病。该项研究开辟了利用已知基因组序列，不需要天然模板，从化学单体合成感染性病毒的道路。2003年，Hammiton等仅用2周时间合成了噬菌体φX174的基因组，注入大肠杆菌，大肠杆菌细胞的反应与感染天然φX174噬菌体一样[7]。2008年，Becker等设计并合成了蝙蝠体内的SARS样冠状病毒基因组[8]，并将该基因组中受体结合结构域（Receptorbinding domain，RBD）替换为SARS病毒的RBD，使其成功感染了培养的人呼吸道上皮细胞。这一29.7 kb的RNA序列是当时合成的最大的可以自我复制的基因组。同年，Venter等在分离出原核生物蕈状支原体的整个基因组并将其移植到山羊支原体中，实现了不同物种间的基因组传输之后，利用酵母细胞的同源重组完成了生殖支原体的全基因组合成，创造了当时世界上最大的人工合成的基因组DNA（582 970个碱基对），这也是首例完全由人工化学合成、组装的完整的细菌基因组。为了突出这是人工化学合成的基因组，他们在基因组的多处插入了“水印”序列。至此，人工化学合成病毒和细菌基因组均已实现。2010年，Venter等用化学方法合成了蕈状支原体的基因组DNA[9]，将其移入山羊支原体细胞，人造细胞表现出蕈状支原体的生长特性，首次创造出由化学合成基因组控制的细菌细胞。上述研究成果为应用合成生物学方法改造、构建新型细菌奠定了基础。

2 合成生物学的应用前景

合成生物学在人类认识生命、重新设计及改造生物等方面科学意义重大，并将在环境保护、新生能源开发、医药卫生等领域得到广泛应用。

2.1 环境监测和治理

利用合成生物学思路，对微生物进行改选，并把其用于环境污染监测。如饮用水中的砷危害人体健康，而目前砷的检测方法难以达到世界卫生组织要求的精度（＜10 ppb）。大肠杆菌砷探测器可解决这一问题。该探测器以砷敏感基因为基础，设计构建了一个代谢通路。水中的砷含量超过正常水平时，砷敏感基因表达，激活此代谢通路，刺激该细菌的一系列基因表达，最后合成酸性物质，通过监测pH值就能确定砷或亚砷酸盐的浓度。这种方法灵敏度高，操作简便，成本低廉。

合成生物学在清除环境污染方面亦有广阔前景。比如美国Berkley大学成功构建出一种能降解有机磷酸酯的假单胞菌工程植株。该工程菌能治理由有机磷酸酯物质（如杀虫剂）使用给土壤、食品和生态所带来的污染。此外，通过合成生物学还有望构建出各种专门负责净化如二氧化硫、氮氧化合物、氨氮化合物、汞、氰化物等污染物的工程微生物体，将对环境净化产生深远影响。

2.2 新生能源的开发

目前，生物燃料的获取主要通过2种途径：利用糖发酵生产酒精或从植物油中提炼生物柴油。然而，这些方法生产效率不高，还需要消耗大量的有机物质甚至粮食，进一步加剧了粮食紧张局势。通过合成基因组学的方法，对自然界中现存的能够将二氧化碳转化为甲烷的细菌进行改造，用合成染色体替换其原有染色体，使其仅具有代谢二氧化碳的功能，成为一个专门生产甲烷的全新生物体，促进生物燃料的使用，解决人类面临的能源危机，同时也可减少由于能源消耗所带来的环境问题。

2.3 药物开发和疾病治疗

传统中药材艾草内的有效成分青蒿素含量很低，提取费用很高。Keasling实验室将多个青蒿素生物合成基因导入酵母菌[10]，产生了青蒿酸。并通过对代谢网络的不断改造和优化，使产量实现了数量级水平的提高。这一研究使青蒿素的制造费用大大降低，推动了该药品的生成。细菌或者病毒能够识别和侵染特定细胞，并引发毒害作用。利用合成生物学手段，对它们的生物学特性进行改造，使其失去致病性，但能识别机体恶性细胞。利用这些改造后的细菌或者病毒来传递治疗药物，将对癌症和其他相关疾病的治疗具有更好的作用。

3 合成生物学面临的挑战

合成生物学是建立在基因工程基础之上。基因工程通常转移的是1个或少数几个基因，目标是改良生物体的1个或少数几个性状，如转基因抗虫棉仅仅是对棉铃虫的抗性高，其他性状与普通棉花没有区别。合成生物学通常涉及的是1组基因，要在更大规模、更多层次上涉及到细胞网络，包括基因调控网络、细胞信号转导网络、蛋白相互作用网络、细胞代谢网络等。“像组装电路一样组装生命”是合成生物学研究思路的形象比喻。实际上，细胞内部基因表达的调控网络如同蜘蛛网一样繁杂精细，往往是牵一发而动全身。表观遗传学研究表明，一些序列正确的DNA组装成染色体后还是会在细胞内发生沉默。外源基因的插入还可能造成细胞原有代谢途径的改变，从而影响到正常生命活动的进行。另外，生命系统的复杂多变、系统中各部件的功能尚不明朗，这些成为合成生物学研究面临的挑战。

如同30多a前的DNA重组技术是否会对人类健康造成威胁一样，合成生物学也面临类似的问题：人工合成的微生物逃逸到环境，是否会对人类和其他生物的安全造成威胁；在实验室中制造的未经自然选择的物种，是否会破坏生态平衡？倘若合成生物技术被应用于制造生物武器，那后果更是不堪设想。

合成生物学是把“双刃剑”。积极开展合成生物学潜在风险的评估和防范，同时应用其成果造福人类，这才是合成生物学本身的意义所在。

［1］张春霆.合成生物学研究的进展 [J].中国科学基金，2009（2）：65-69.

［2］龚岳亭，杜雨苍，黄惟德，等.结晶牛胰岛素的全合成[J].科学通报，1965（11）：941.

［3］ Ryan M J，Belagaje R，Brown E L，et al.A synthetic tyrosine suppressor tRNA gene with an altered promoter sequence.Its cloning and relative expression in vivo [J].J Biol Chem，1979，254（21）：10803-10810.

［4］王德宝，郑可沁，裘慕绥，等.酵母丙氨酸转移核糖核酸（酵母丙氨酸 tRNA）人工全合成[J].中国科学：B 辑，1983，26：385-398.

［5］ Gardner T S，Cantor C R，Collins JJ.Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli.[J].Nature，2000，403：339-342.

［6］ Cello J，Paul A V，Wimmer E.Chemical synthesis of poliovirus cDNA：generation of infectious virus in the absence of natural template[J].Science，2002，297：1016-1018.

［7］Smith H O，Hutchison CA，Venter JC，etal.Generating a synthetic genomebywholegenomeassembly：φX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides[J].Proc Natl Acad Sci USA，2003，100（26）：15440-15445.

［8］Lartigue C，Vashee S，AlgireM A，etal.Creatingbacterialstrains from genomes that have been cloned and engineered in yeast[J].Science，2009，325：1693-1696.

［9］Gibson DG，GlassG I.Creation ofabacterial cellcontrolled by a chemically synthesized genome[J].Science，2010，329：52-55.

［10］Ro DK，Paradise EM，OuelletM，etal.Production of the antimalarial drug precursor artemisinic acid in engineered yeast[J].Nature，2006，440：940-943.