我国“合成生物学”急需研究的问题
2012-02-09陈国强
《科学时报》：目前合成生物学研究面临的主要挑战是什么？
陈国强：有很多挑战，最大的挑战也许是新生命的合成。如何合成出一个有新特征的生命？对于工程应用领域来说，重要的是合成出一条新的代谢路径，获得野生微生物不能合成的产物。为此，要全面了解微生物的调控机制。比如说，把相关基因拼到一起（或合成）之后，可能会合成出一个微生物的代谢通路，但是它没有按照预期目标去大量合成所需要的产物。因为在细胞里面，有大量基因参与调控，如果不清楚它的功能，把它精简掉之后就会出问题，得不到我们希望的产物。总之，细胞没有按照所需要的方向发展。所以这些调控的东西影响了我们随心所欲地设计某种生物的企图。如果知道了所有的调控的机制，挑战就小了许多。不过，还有另一个挑战就是，如果设计出来生物体控制不住怎么办？
《科学时报》：国际上对合成生物学研究主要集中在哪些方面？
陈国强：可能最令人瞩目的是具有新功能的新生命的合成吧。这主要是满足人类的好奇心。其他的主要集中在工程和应用，第一个方面就是所谓最小基因组的研究。一般来说，基因组越小，细胞生长得越快。原理基本上主要是DNA合成和代谢负担减少了。最小基因组研究就是通过有目的删除多余基因，获得在特定条件下有优势的简化基因组微生物。
其次是合成路径的研究。在最小基因组研究的基础上，用各种基因组成的元件拼装成某种产物的合成代谢路径。可以是一条利用二氧化碳光合作用合成氢气的代谢路径，可以是一条合成紫杉醇的代谢路径……有无穷无尽的可能性，使这个细胞在满足生长的最低要求后，集中精力去生产需要的产品。
第三，就是模块化研究。就是把各种功能的基因模块化，等到需要的时候就把各个功能模块组装起来就可以了。像积木玩具一样，通过不同的组合，变成房子、汽车、飞机等不同的东西。
《科学时报》：我国开展合成生物学研究，发展合成生物学的目的为何？针对国家什么样的重大需求？
陈国强：我国是一个资源消耗大国，在材料、能源、化工产品的消耗量方面等都居世界第一位，所以，我国开展合成生物学的目标就应该包括解决材料、能源、化工产品的重大需求；因此，发展合成生物学的主要目的应该包括逐渐减少对石油的依赖，利用农业生物质如纤维素、非粮淀粉、非粮脂肪酸等为原料生产材料、能源、化工产品等，满足国家在材料、能源、化工产品方面的重大需求，避免对石油的过渡依赖，发展一个逐渐可以与化工过程竞争的工业生物产业。当然，合成生物学的研究也将产生许多研究生命活动的重大科学问题。
《科学时报》：不少国家都发布了合成生物学路线图，我国也在制定过程中，您认为作为路线图应强调哪些问题？
陈国强：我认为未来合成生物学要利用系统生物学的方法研究微生物——主要是细菌的工业应用，使微生物最大程度地生产工业产品包括材料、精细化工产品和生物燃料等。利用合成生物学的手段构建（合成）新的微生物，能够最优地进行工业发酵。最终的目的是实现复合功能微生物的构建。
《科学时报》：您长期从事PHA材料方面的研究，合成生物学为这一领域注入哪些新内容？会产生哪些变革？
陈国强：PHA的合成需要微生物的高速生长和PHA的大量积累来实现，这也是降低PHA生产成本的关键。所以，如何构建最小基因组的微生物来实现上述目的，是我们实验室重要的研究方向。通过基因组、转录组、蛋白质组和代谢组以及代谢流量组的全盘研究，寻找与PHA合成关系不大、同时对细菌生长不是必要的基因进行删除，获得能高速生长和大量积累PHA，同时从碳源到PHA转化率高的最小基因组微生物。
附 表：
表1 合成生物学需解决的一些关键问题以及其必要性。其中，复合功能微生物的构建是合成生物学的核心之一
表2 近期和中期合成生物学研究的一些问题，同样，复合功能微生物的构建是近期和中期合成生物学研究的核心之一
