“人造生命”展现诱人前景

整理撰稿人：中科院上海生命科学信息中心人口健康与生物医药团队

刘晓（E-mail:liuxiao@sibs.ac.cn）、王慧媛、王方、熊燕

审稿专家：中科院院士，中科院上海生命科学院赵国屏研究员

1 “人造生命”为生命规律的探索提供新途径

2010年，美国科学家实现了人工全合成支原体基因组，培育出由人造基因组控制的、可自我复制的细菌细胞，标志着人类实现了首个“人造生命”，证明了人工合成生命的可行性[1]。

“人造生命”（artificial life/synthetic life）是以系统生物学研究为基础，融入工程学的思想和概念，综合利用化学、物理、信息科学的知识和技术，从头合成或改造重合成具有特定生物学活力的生物分子及其复合物、功能线路和细胞器，从而创造细胞、组织、器官、生物个体乃至生态系统。“人造生命”为生命起源、进化以及生命运动规律的探究开辟了新思路、新手段，也极大地促进了合成生物学的发展。

2 国际重大进展和突破不断涌现

（1）合成生物学成为发达国家资助重点。以“人造生命”为目标的合成生物学得到了美国、英国等国家的高度重视。美国国家科学基金会早在2006年就资助建立了“合成生物学工程研究中心”（SynBERC），此后，美国国家科学院、国防部高级研究项目局、国家科学基金会等相继资助了多项合成生物学相关研究项目。欧盟委员会第七框架计划在“生物技术新兴发展趋势”主题中规划了4项合成生物学相关研究项目资助开展细胞工厂及应用、合成生物学的相关标准及安全等研究。英国商务、创新与技能部2012年发布《合成生物学路线图》，随后大学与科学部2013年投入超过6000万英镑支持合成生物学的发展，确保英国在该领域的全球领导地位。

（2）基因组合成、线路设计和合成生物制造领域取得重大突破。目前，“人造生命”正在经历从向自然学习模拟、天然生物元器件的改造与人工替换，到基于定量生物学模型的复杂生命系统的从头设计和合成、组装的发展过程。随着高效率、高质量、低成本的寡核苷酸合成及大片段DNA拼接技术的快速发展，“人造生命”的对象已从病毒、细菌发展到酵母[2]等真核生物；其研究目的也从最初的概念证实和使能技术发展，逐渐迈向复杂生命体系运动机理研究及人工遗传线路和底盘生物设计构建等工程体系的建立。成功合成自然界中不存在的可执行DNA功能的人造分子XNA，为生命起源的研究开辟了新思路[3]；生物器件、功能线路、网络设计等技术快速发展，已成功建立能根据细菌基因型预测其表型的计算模型[4]；人工合成模拟遗传线路，实现了在活细胞中执行精密计算的功能[5]，在哺乳动物细胞内构建出复杂的基因逻辑网络[6]；利用DNA和RNA制成生物晶体管[7]，为活体细胞计算机的研发跨出关键性一步；开发出真核生物转录因子元件模块及遗传线路构建技术[8]及能对基因组进行简单、精确编辑的新技术[9]。同时，利用合成生物学技术，合成生物制造领域取得重大进展，在实现青蒿酸在人造底盘中生物合成的基础上，通过优化元件和途径，实现了产量的极大提高，并启动大规模半合成青蒿素的生产[10]，也使紫杉醇[11]、人参皂苷[12]等植物稀有活性成分在微生物细胞中的快速高效合成成为可能。

3 推动传统生物技术的革命性突破和经济社会的重大变革

基因组学、系统生物学、定量生物学及计算生物学的发展，为生物体的改造利用提供了前所未有的知识环境。基于系统生物学的合成生物学为全面、定量和可预见地设计、改造生物带来了革命性的机会，但真正要人工合成生命还有很长的路要走。未来，有望通过开发更加高效、低廉的DNA合成技术、精确的大片段基因组装技术，创建最优的合成途径；通过测量生命组分、模拟生命过程，设计生命蓝图、合成生命物质，创造生命细胞和生命系统。

实现人工生命系统构建理论和技术的突破，不仅能全面认识和理解生命的本质与天然生物系统的工作原理及规律，还将在世界范围内激发新一轮理论探索和技术革命的浪潮。随着工程化层次及使能技术效率的不断提升，将从根本上革新传统医药工业、化学和生物制造业，大大提升生产力、改变人类生活方式，建立“高效、清洁、节约、可持续”的发展模式，对未来经济和社会产生深远影响。

4 加强前瞻规划和布局，应对机遇和挑战

我国已具备开展合成生物学和“人造生命”研究的基础，同时该领域的发展已得到国家的高度关注。2010年以来，科技部“973”、“863”计划均部署了相关研究项目，相继设立了“人工合成细胞工厂”、“新功能人造生物器件的构建与集成”、“微生物药物创新与优产的人工合成体系”、“用合成生物学方法构建生物基材料的合成新途径”、“抗逆元器件的构建和机理研究”，以及“合成微生物体系的适配性研究”等重大研究项目，资助了“人工合成酵母”国际合作计划。中科院在“创新2050”路线图中，就将“人造生命”与生命起源和进化列为交叉前沿核心科学问题之一，并于2008年建立了中科院合成生物学重点实验室。

近年来，我国科学家在合成生物学的基础研究和技术创新方面也取得了一些重要进展。例如，成功开发出一种简单、稳定、容易使用的光调控基因表达系统[13]；通过重编码大肠杆菌细胞运动模式，阐释了一个全新的生物图形生成原理[14]；利用“模块途径工程策略”构建酵母工程菌，降低了植物源萜类的合成成本[15]；建立了在蓝细菌中由CO2合成丙酮的代谢途径，实现利用光能直接产生酮类化合物[16]；通过在家蚕中构建受化学信号控制的性致死人造基因线路，实现在生产上仅饲养雄蚕而达到产量高、质量好的目标[17]等。

中科院具有学科交叉和研究力量整合的优势，可针对重大科技问题，开展前瞻性布局和研究，以生物进化过程中发挥关键作用的事件为核心研究对象，在相关生物元件、模块、器件、线路、细胞器、细胞乃至组织的设计与合成上实现突破，引领学科发展方向；加强重点实验室和工程技术平台的建设，产生一系列具有应用前景的新方法和新技术。同时，从关系国计民生和产业发展的医药、农业、化工、环境等相关重大产品入手，建立具有特定生物制造能力的人工生物体系，促进“合成生物制造”的应用基础和产业转化研究，获得若干创新“产品”，为我国可持续经济体系的建立与发展奠定科学基础。

1 Gibson D G,Glass J I,Lartigue C et al.Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome.Science,2010,329（5987）：52-56.

2 Dymond J S,Richardson S M,Coombes C E et al.Synthetic chromosome arms function in yeast and generate phenotypic diversity by design.Nature,2011,477（7365）:471-476.

3 Pinheiro V B,Taylor1AI,Cozens C et al.Synthetic genetic polymers capable of heredity and evolution.Science,2012,336:341-344.

4 Karr J R,Sanghvi J C,Macklin D N et al.Awhole-cell computational model predicts phenotype from genotype.Cell,2012,150:389-401.

5 Daniel R,Rubens J R,Sarpeshkar R et al.Synthetic analog computation in living cells.Nature,2013,497（7451）：619-623.

6 Ausländer S,Auslander D,Muller M et al.Programmable singlecell mammalian biocomputers.Nature,2012,487（7405）：123-127.

7 Bonnet J,Yin P,Ortiz M E et al.Amplifying Genetic Logic Gates.Science,2013,340（6132）：599-603.

8 KhalilAS,Lu T K,Bashor C J et al.ASynthetic Biology Framework for Programming Eukaryotic Transcription Functions.Cell,2012,150（3）：647-658.

9 Cong L,Ran FA,Cox D et al.Multiplex genome engineering using CPISPR/Cas Systems.Science,2013,339（6121）：819-823.

10 Paddon C J,Westfall P J,Pitera D J et al.High-level semi-synthetic production of the potent antimalarial artemisinin.Nature,2013,496（7446）：528-532.

11 Ajikumar P K,Xiao W H,Tyo K E J et al.Isoprenoid pathway optimization for taxol precursor overproduction in Escherichia Coli.Science,2010,330（6000）：70-74.

12 Han J Y,Hwang H S,Choi S W et al.Cytochrome P450 CYP716A53v2 Catalyzes the Formation of Protopanaxa triol from Protopanaxadiol During Ginsenoside Biosyn thesis in Panax Ginseng.Plant Cell Physiol,2012,53(9):1535-1545.

13 Wang X,Chen X J,Yang Y.Spatiotemporal control of gene expression by a light-switchable transgene system.Nature Methods,2012,9:266-269.

14 Liu C L,Fu X F,Liu L L et al.Sequential establishment of stripe patterns in an expanding cell population.Science,2011,334:238-241.

15 Guo J,Zhou Y J,Hillwig M L et al.CYP76AH1 catalyzes turnover of miltiradiene in tanshinones biosynthesis and enables heterologous production of ferruginol in yeasts.PNAS,2013,110:12108-12113.

16 Zhou J,Zhang H F,Zhang Y P et al.Designing and creating a modularized synthetic pathway in cyanobacterium Synechocystis enables production of acetone from carbon dioxide.Metabolic Engineering,2012,14:394-400.

17 TanAJ,Fu G L,Jin L et al.Transgene-based,femalespecific lethality system for genetic sexing of the silkworm,Bombyx mori.PNAS,2013,110:6766-6770.