合成生物学研究进展

艾瑞婷，于振行

合成生物学作为一个新兴的前沿学科，由于其巨大的潜在应用价值而成为各国政府争相抢占的资助领域和各科研机构的研究热点。近年来，合成生物学在生物能源、生物医药和生命合成等领域取得了长足发展和重要突破。本文就合成生物学取得的重大科研进展及其国际、国内发展形势进行综述。

合成生物学是以工程学和生物学为基础，以创新为导向迅速发展起来的新研究领域。高通量、低成本的基因测序技术、DNA 合成技术及其公司化运作，为该领域发展奠定坚实基础。合成生物技术通过多学科交叉集成，从天然生物系统中获取各种元件，将其合理组合，形成标准化、可替换、工程化的功能模块，实现用现代工程科学理念构建和改造生物系统。合成生物学一方面探索生命内在运行模式和进化等基础科学问题，另一方面则直接面向产业，通过对现有生物体的理性目标化改造产生直接效益，为解决能源资源耗竭、人类健康、环境污染等社会可持续发展的瓶颈问题提供直接有效的技术，并带动传统产业升级和开辟新兴产业。

1 当前合成生物学的重点成果

1.1 生物能源方面

2008 年，Liao 领导的研究组从酿酒酵母、乳酸乳球菌及丙酮丁醇梭菌中引入 2-酮酸脱氢酶，从酿酒酵母中引入2-乙醇脱氢酶，通过基因优化和重构，实现大肠杆菌内全新的高级醇合成路径，研究结果发表在《自然》杂志上[1]。2009年，通过对细长聚球蓝细菌的基因工程改造，增加 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的表达量，并将来自乳酸乳球菌、枯草芽孢杆菌及大肠杆菌的相关基因进一步导入工程菌，使之利用 CO2和光生产异丁醛，成功实现利用光来生产生物能源分子[2]。2010 年，Liao 研究组利用乙酰羧酸合成酶链延长模块和酮酸脱羧酶，在蓝细菌 PCC7942 中构建了由丙酮酸到异丁醛的合成途径[3]。合成的异丁醛是平台代谢物，可以生成一系列具有重要功能的生物分子。2010 年，美国LS9 生物技术公司利用在蓝细菌中发现的脂酰 ACP 还原酶和醛脱羰酶以原核生物脂肪酸合成途径的中间代谢物脂酰 ACP 为底物，合成烷烃类和烯烃类，论文发表在 2010年《科学》杂志上[4]。

1.2 药物合成方面

Keasling 领导的研究组于 2003 年在大肠杆菌中成功构建了崭新的青蒿二烯合成路径，开创了生物合成的崭新道路，为低成本生产抗疟疾药物以服务于第三世界国家打下基础[5]。2006 年，Keasling 研究组又以酵母菌为宿主，通过对内源的乙酰辅酶 A 到 FPP 途径的关键基因进行上调或下调，同时引入基因优化过的外源模块，使青蒿二烯产量提高了 500 倍，达到了 153 mg/L[6]；2010 年，Stephanopoulos领导的研究组成功地在大肠杆菌中合成了抗癌药物紫杉醇的前体物紫杉二烯[7]。他们将大肠杆菌自身生成异戊烯焦磷酸的途径做作为上游模块，将异源的萜类化合物形成途径作为下游模块，通过微调上下游模块之间的表达量，使紫杉二烯的产量达到 1000 mg/L，与原来的菌株相比，产量提高了15 000 倍。

1.3 合成生命方面

Craig Venter 是基因组合成的代表人物。2003 年，设计了在两周内即可合成基因组的流程，并第一次合成了含有5386 对碱基的噬菌体 phiX174 的基因组[8]；2007 年，将蕈状支原体（M.mycoides）的天然基因组成功转移到亲缘关系较近的山羊支原体（M.capricolum）中[9]；2010 年又实现了将人工化学合成的 M.mycoides 基因组转入 M.capricolum细胞中并获得有活性的菌株，新细菌在生长 30 轮后，原有细胞的蛋白体系被新基因组表达的蛋白完全替换[10]。这是生物领域的一次很大的进步，首次实现了人工合成活性全基因组。

合成生物技术在其他领域也有广泛的应用，如 2009 年美国加利福尼亚大学旧金山分校的 Voigt 研究组，利用生物信息学方法、合成宏基因组方法，化学合成可表达出最高活性 MHT 的基因，构建了卤代甲烷产率很高的酿酒酵母工程菌[11]。麻省理工学院（MIT）化工系 Prather 研究组，设计优化了一条葡糖二酸代谢途径，使 D-葡糖二酸的浓度提高约 5 倍[12]。

2 西方国家对合成生物学的支持情况

近年来，美国、英国等发达国家纷纷投入巨资建立研究机构和开展研究项目，以抢占合成生物学研究发展的先机。2001 年，美国能源部启动了主要针对重要模式微生物的Genome To Life（GTL）研究计划，将系统生物学研究和精确的、低成本的基因合成以及合成基因组的构建提上日程。美国国家自然科学基金于 2006 年投入 2000 万美元资助建立合成生物学工程研究中心（synthetic biology engineering research center，SynBERC），由加利福尼亚大学伯克利分校、哈佛大学、麻省理工学院、加州大学旧金山分校等共同组建。美国生物经济研究会于 2007 年发表了《基因组合成和设计之未来——对美国经济的影响》的研究报告，分析了合成生物学及基因组工程支撑技术的迅速发展，认为合成生物学将在化学品生产、能源、疫苗及医药等方面有极为重要的应用前景，具有重大的经济及社会意义。威尔逊中心的分析表明，自 2005 年美国政府对合成生物学相关研究已投入 4.3 亿美元。不仅美国投巨资资助合成生物学的发展，欧洲各国也高度重视合成生物学的研究。2005 年欧盟在第 6 个研究框架规划中发表了《合成生物学——将工程应用于生物学》的项目报告。该报告给出了合成生物学清楚的定义及范围；展望了合成生物学未来 10 ～ 15 年在生物医药、环境与能源等领域的前景。欧盟 2007 年启动了《合成生物学——新出现的科学技术》引导项目共 18 项。2008 年英国生物技术与生物科学研究理事会将合成生物学列为优先资助的研究领域。英国皇家工程院于 2009 年 5 月发表了《合成生物学》蓝皮书，不但系统阐明了合成生物学研究范围、应用前景及其社会影响，而且明确提出英国要在不久的将来保持和提高在该领域的绝对国际领先地位。英国工程与物理科学研究委员会、帝国理工学院和伦敦政治经济学院于 2008 年投入800 万英镑共同建立了英国合成生物学与创新研究中心。德国马普学会也成立了合成生物学研究所。自 2005 年起欧盟及荷兰、英国、德国已在此领域投入约 1.6 亿美元研究资金。丹麦政府也将在 2009 – 2013 年的五年计划中投入1 亿 2 千万丹麦克朗，用于开展合成生物学研究。

3 中国对合成生物学的支持情况

合成生物学在国际上的迅速发展引起我国科学界的高度重视。天津大学于 2007 年主办了两次合成生物学研讨会，邀请 iGEM 大赛创始人之一 Drew Endy 教授和合成生物学专家 Christina Smolke 参加并授课，这是国内首次举办关于合成生物学的学习研讨会。2008 年和 2009 年分别在北京和上海召开了以合成生物学为主题的香山科学会议和东方科技论坛。多位中科院、工程院院士及相关领域专家一致认为在我国开展合成生物学研究，抢占学科发展的制高点刻不容缓。2007 年 11 月，天津大学和英国爱丁堡大学联合成立了爱丁堡大学-天津大学系统生物学与合成生物学研究中心。中国科学院于 2008 年 12 月成立了合成生物学重点实验室。2010 年 8 月，正式成立了合成与系统生物学研究中心。2010 年 6 月，天津大学邀请国内外相关领域专家及政府管理人员参加求实论坛，讨论合成生物学最新研究进展。

我国政府部门也高度重视合成生物学的重要性及重大发展潜力，2010 年科技部将合成生物学列入了“蛋白质研究”重大科学研究计划。2011 年，我国启动的“十二五”计划、“863”计划和“973”计划重大科学问题导向项目都将合成生物学列为重点研究方向。“973”计划支持的第一个关于合成生物学研究的项目是“人工合成细胞工厂”，该项目主要研究微生物细胞的代谢网络，计算和设计目标化学品可能的生物合成路线，发掘、合成目标化学品合成的相关DNA 元件，进行元件的功能鉴定、性能优化，合成具有调控功能的分子模块，组装目标产品合成的人工代谢途径，优化 DNA 元件、分子模块和宿主细胞的互作关系，提高人工细胞的环境适应能力，进化人工细胞的化学品合成效率，形成具有高效合成能力的人工细胞工厂。2011 年，“973”计划支持了另外两个关于合成生物学研究的项目。一个是“新功能人造生物器件的构建与集成”，该项目的主要目标是建立 DNA 高效合成拼接技术体系，建立生物元件合成与表征、模块设计与集成组装以及调试等工程平台，建立代谢和调控功能明确的标准化元件库和通用库。在此基础上，探索萜类和聚酮类等重要天然产物的新生物合成路线。另一个是“微生物药物创新与优产的人工合成体系”，该项目希望能通过解决微生物药物合成体系的合成与调控、元件及模块组装、底盘细胞与系统优化等问题，实现药物生物合成的定向性和高效性。

“863”计划也正在组织关于合成生物技术研究的项目，解决合成生物技术实际应用中面临的关键技术问题。通过关键技术的突破，提高中国在生物能源、药物研究与生产等领域的综合能力。

4 合成生物学与生物安全和伦理道德

合成生物学技术的快速发展引起了社会各界对其在生物安全和伦理道德方面的关注。随着合成生物技术的不断成熟，它是否会引起像转基因技术，干细胞技术一样的争议和恐慌？另外，恐怖分子会不会利用合成生物学技术制造生物武器威胁社会？毋庸置疑，合成生物技术带来的社会效益和风险是并存的，所以在发展关键技术的同时，要尽快制定相关法规和制度，加强核心技术专利权的保护，保证并促进合成生物学技术健康、快速地发展。

5 展望

国际人类基因组计划完成后，人类对改造天然产物和创造新生命的强烈愿望使得合成生物学逐渐为大家所认识并得到重视。经过大约 10 年的发展，到 2011 年，合成生物学已经取得一个又一个重要突破。《科学》、《自然》杂志都将合成生物学评为 2010 年度重大科学事件之一，《科学美国人》、《时代》周刊、《国际财经日报》、《科技日报》等报刊也都对合成生物学对科学发展的重大影响给予肯定。

随着合成生物学研究和相关生物技术的快速进展，将会有越来越多的合成生物学零件和模块得到表征及标准化；更加复杂精细的合成基因线路会在原核生物及真核生物中得以应用；像 JCVI-syn1.0 一样的“合成细胞”将进一步发展。在应用方面，合成生物技术将对生物能源、植物源药物、环境保护等战略性新型产业产生强有力的推进作用，为微生物药物产业的技术创新和产业化升级提供强大的技术支撑，成为生物技术领域一个重要的前沿方向。

[1] Atsumi S, Hanai T, Liao JC. Non-fermentative pathways for synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels. Nature, 2008,451(7174):86-89.

[2] Atsumi S, Higashide W, Liao JC. Direct photosynthetic recycling of carbon dioxide to isobutyraldehyde. Nat Biotechnol, 2009, 27(12):1177-1180.

[3] Li H, Cann AF, Liao JC. Biofuels: biomolecular engineering fundamentals and advances. Annu Rev Chem Biomol Eng, 2010,1:19-36.

[4] Schirmer A, Rude MA, Li X, et al. Microbial biosynthesis of alkanes.Science, 2010, 329(5991):559-562.

[5] Martin VJ, Pitera DJ, Withers ST, et al. Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for production of terpenoids. Nat Biotechnol, 2003, 21(7):796-802.

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[10] Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science, 2010,329(5987):52-56.

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