合成生物学研究的新进展

奇云

摘要：合成生物学是近年迅速发展起来的一门新兴学科，因其具有重要的研究意义和巨大的应用开发潜力而备受关注。本文对合成生物学的国内外研究概况、发展方向、应用前景及其存在的安全、伦理问题进行了概述，并展望合成生物学将给人类社会带来的巨大变化。

关键词：基因；基因组；合成生物学；应用

一、后基因组时代生命科学研究的新领域

合成生物学（Synthetic biology）是一门建立在系统生物学、生物信息学等学科基础之上，并以基因组技术为核心的现代生物科学。它是用有机化学及生物化学的合成能力去设计非天然的、合成的分子，进而使这些分子在生命系统中有活性功能。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造不同，合成生物学是设计自然界中原本不存在的生物或对现有生物进行改造，将工程学的思想用于生物学研究当中。合成生物学的最终目标是重塑生命。简单地说,合成生物学旨在以人工手段制造出生物系统。其涵盖的研究内容可以大体分为3个层次:一是利用已知功能的天然生物模体或模块构建成的新型调控网络并表现出新功能;二是采用从头合成的方法人工合成基因组DNA并重构生命体;第三个层次则是在前两个研究领域得到充分发展之后,创建完整的全新生物系统乃至人工生命体[1]。

虽然“合成生物学”一词1911年就在著名科学刊物《科学》（Science）和《柳叶刀》（The Lancet）等杂志上出现过，但许多学者认为，合成生物学成为一门真正的学科始于2000年。比起当前的转基因、基因工程等技术，合成生物学的研究更前卫，代表了下一代生物技术。

进入后基因组时代以后，集成系统生物学思想的合成生物学应运而生，它综合了生物化学、生物物理和生物信息等技术，利用基因和基因组的基本要素及其组合，设计、改造、重构或是创造生物分子、生物体部件、生物反应系统、代谢途径与网络乃至具有生命活力的生物个体。

虽然合成生物学的基础就是以基因组技术为核心的生物技术，类似传统生物技术的工程化；但是，它并不局限于传统生物技术那种对基因理性组合的模拟，而是一种能从头合成复杂生命的可验证技术。合成生物学与目前基因工程和生物技术方法的关键区别，就是其将工程设计和开发的方法应用于生物技术。这种方法的实质就是为了设计出满足某些特性的产品，对每一个部件、装置或系统的特性进行规范。在构建过程中，系统常常是利用标准的装置建造的，而这些装置则是由标准的部件制造的。标准的部件和装置具有复杂系统建造所需的全部特征。因此，合成生物學含有三个基本要素：第一是采用从自然界分割出来的标准的生物学元件，可被修饰、重组乃至创造的元件。第二，是依据基因组和系统生物学的知识进行理性的重组、设计。第三，是采用现代生物技术和相关物理、化学技术，人工建造优化的生物系统，乃至获得新的生命（生物体）。合成生物学的发展主要涉及4个重要技术：首先是测序。有了测序技术的发展，了解了原有系统才能更好地设计新的系统。第二步就是计算机模拟建模。了解了整个生命系统的构成，对生命系统有一个系统认识后，通过计算机模拟建模分析，编制科学家想要实现的新的生命体系。第三步就是从无到有获得新的基因。最后是通过移植技术获得新的生命细胞。合成生物学既是多学科的交叉综合，又是充满挑战和机遇的创新研究[2-3]。

二、合成生物学的应用和发展前景

合成生物学目前的发展态势与计算机产业发展早期有许多相似之处，未来的影响可能会与计算机曾给人类社会带来的影响相仿。由于仍处于发展早期，合成生物学的未来具体应用领域尚难准确预料。时下较为普遍的看法是，它在以下几个领域大有用武之地[4]。

（一）生物能源

进行细胞工程，将糖、淀粉质、纤维素（农业废物）及二氧化碳中的碳，转化为具效益的产物，包括交通工具所需燃料。利用可再生原料进行碳中和化合作用，有助减少温室气体的排放。随着技术发展及与燃料电池的集成，该技术也有望解决与氢气的储存、销售相关难题，因而在汽车领域应用潜力巨大。

（二）绿色制造

传统塑胶及纺织制造业牵涉的制作过程，往往需用上高温和有害溶剂，更会产生污染物。就上述步骤进行细胞工程将可以引伸出一系列程序，其中一些更可以在室温的环境下进行，最后不会产生有害的副产品。

（三）农业

现时，合成生物学获应用于植物工程学，将有助科学家设计一系列能带来更丰硕收成、具抗病能力，及能抵抗极端或恶劣环境的农作植物品种。

（四）制药业

可重新改造细菌及酵母，达致低成本制药的目的，包括那些用传统化学无法制造出来的或今天价格奇贵的药品。例如采用经基因重组的细菌生产抗疟疾及降胆固醇药物。上述过程将有效大幅降低生产成本，从而将药物推广于发展中国家的庞大市场。

（五）医疗

重整人类细胞，与人体组织及器官作更佳结合；而细菌及人类免疫细胞则可获转用于发展多项针对不健全细胞及组织的疗法，有助对抗癌病及一些遗传病。

当前，合成生物学的产业化应用已经初现端倪。2010年7月，美国的《研究与市场》预计，到2015年合成生物学产业市场将超过45亿美元。2010年7月，埃克森美孚公司与文特尔的合成基因组公司签订了进一步合作的协议，将投入6亿美元进行微藻生物燃料的研发。2010年12月，《工业生物技术》杂志刊登了排名前10位的风险投资支持的生物技术公司，其中大量的创投资金投资于生物燃料方面的合成生物学公司。美国生物技术产业组织发表报告介绍合成生物学目前在化学品和医药中的应用，涉及的产品包括：生物柴油、生物异戊二烯、生物丙烯酸、生物表面活性剂、生物己二酸、生物可降解塑料、西他列汀（Ⅱ型糖尿病用药）等，其中多项技术获得2010年美国总统绿色化学挑战奖。合成生物学的基础研究催生了许多研发性的合成生物学公司，为合成生物学产业的发展提供了很好的技术平台，加快了产业化的进程。目前，所研发的产品大都完成中试，有的已与大公司合作进行工业化。据报道，美国两家企业已开始使用人工细菌生产生物燃料，全球制药巨头赛诺菲－安万特公司已经获准使用合成生物学改造的啤酒酵母生产青蒿素。

三、合成生物学的安全、道德与伦理问题

由于合成生物学旨在改造生命和创造生命，打破了“自然”和“非自然”的界限，就必将在社会上引起有关伦理道德的困惑与争论。在合成生物学发展的这几年时间里，在各种科学刊物及学术会议上，有关合成生物学与生物安全、伦理道德的话题也是经常讨论的重要议题[3]。

从生物学观点看，生命是区分活的有机体与无机物的条件。但生物学意义的生命与社会情境中的生命是不同的。且不说制造高级动物或人的生命，即使制造或变更简单生命体，会对人类具有社会和文化层面的生命会有什么影响？例如我们制造生命后，会不会肆意对待所有生命，包括人类生命？这是人们关注的一个问题。这种关注有时用“不要扮演上帝的角色”的论点提出，认为目前所有生命有机体都是“自然”形成（或“上帝”创造）的，都是经过千百万年进化而来的，我们如果设法去创造生命，可能会对整个自然界、地球上的所有物种，包括人类在内产生始料不及的影响。当然，这种观点虽然不无道理，但难以立足。尊重生命并不意味着我们对地球上任何生命形式都不能利用和改造。

合成微生物与环境或其他有机体可能产生令人始料不及的相互作用，从而对环境和公共卫生造成风险。为了负责任地发展应用合成生物学必须预防或处理这些风险。合成微生物释放入环境可能引起基因水平转移和影响生态平衡，或发生演变产生异常功能，对环境和其他有机体产生前所未有的副作用。因此必须解决生物安全问题。

从理论上来说，用合成生物学可以制造出比目前人类已知的病毒和细菌更具毒性、更具传染性、更具耐药性的新品种，可能会对人类造成许多潜在危害。例如，合成生物体被有意或无意地排放到环境中后，可能因其具有崭新的结构而在自然选择中获得优势而无限增值，或与其他微生物发生相互作用造成合成基因污染自然界的基因库。当前，人们最大的担忧在于：一旦合成生物学的方法趋于成熟并予以推广，生物恐怖主义分子完全有能力制造出致命微生物，例如埃博拉病毒、天花病毒和一些目前人们拥有的药物均无法消灭的的病毒。

潜在的非物理性伤害是对个体或社会的幸福安康所造成的副面影响，涉及公正、平等、人际关系、人与自然关系等，有时难以言说。例如人们对合成生物学中专利、知识产权、商品化、重商主义等的争论，还有我们是否应该利用合成生物学或其他技术增强人类的性状和能力。人们比较重视对物理性风险或伤害的管理，而不重视对非物理性风险或伤害的管理。

合成生物学就因其利弊相兼而引起广泛争议。由美国彼得·哈特研究协会和伍德罗·威尔逊中心共同进行的民意调查显示，66％被调查者认为，应该推动合成生物学的研究，但34％的人要求禁止这一学科，起码不要在不了解其可能引起的不良后果时从事这方面的研究。在对合成生物学心存疑虑者中，27％的人担心恐怖组织会利用研究成果发展生物武器；25％的人担心合成生物学产生的人造生命会破坏伦理道德；23％的人担心这些研究会对人们健康产生负面影响；13％的人担心环境会因此受到破坏。调查还发现，一半以上的被调查者希望美国政府制定严格措施，以规范合成生物学研究。

参考文献

[1]林其谁.合成生物学[J].生命科学，2005,17（5）:384-386

[2]McDaniel R, Weiss R. Advances in synthetic biology: on the path from p rototypes to app lications[J]. Curr Op in Biotechnol,2005, 16 (4) : 476 - 483.

[3]奇 云.合成生物学走向新时代（N）.中国社会科学报，2011年4月14日第179期12版

[4]奇 云.合成生物学指引我们向何方？[J].生命世界，2011（5）：16-19