“合成生物學”研究前沿與發展趨勢

李若彤

摘 要：合成生物學研究（syntheticbiology）是一門新興研究領域，是生命科學在21世紀剛剛出現的一個分支學科。合成生物學是分子和細胞生物學、進化系統學、生物化學、信息學、數學、計算機和工程等多學科交叉的產物。近年來合成生物學發展勢頭強勁，許多新的技術被應用到合成生物學領域，2010年人工合成生命的出現更是引起了輿論轟動和全世界的廣泛關注。鑒于此，文章對合成生物學的研究進展與發展趨勢進行了闡述，以供參考。

關鍵詞：合成生物學; 研究進展; 發展趨勢

中圖分類號：R282.1 ?文獻標識碼：A ? ??文章編號：1006-3315（2019）03-012-002

1.合成生物學主要研究進展和重要研究成果

1.1利用合成生物學理念發展先進智能技術

（1）人工構建細胞工廠與系統優化代謝流。CO2生物固定轉化是地球有機碳源的根本來源，但轉化效率有待提升。利用合成生物學技術，構建細胞工廠優化系統代謝流，創造或經過改造的新生物系統可以突破原有生物系統的限制，實現CO2的高效生物轉化。例如利用藍細菌與梭菌的固碳模塊及其胞內的碳流與能量流分配規律設計的人工細胞，可利用光能、化學能將CO2高效轉化為醇、酮、酸、烯等有機化合物;光能自養型的藍細菌細胞工廠的設計和構建得到了快速的發展，經過改造的藍細菌可以高效地合成乙醇，2，3-丁二醇，蔗糖等生物燃料及化學品。在分析—認識—設計—構建的研究策略指導下，不斷提高自養細胞工廠的效率，為形成以CO2/CO為原料、轉化合成大宗化學品的新路線、建立清潔、綠色、可持續的生物制造新模式奠定基礎。

（2）合成生物學推動下的工業生物技術。工業生物技術是利用微生物或酶將淀粉、葡萄糖、脂肪酸、纖維素等農業資源轉化為化學品、燃料或材料的技術。工業生物技術的生產規模可達千萬噸級。但其生產過程中微生物的高密度生長和呼吸產生的大量代謝熱會導致系統升溫、酸堿擾動、細胞活力下降等問題，需使用大量的冷卻水和補加酸堿來控制微生物生長代謝，增加了過程控制的難度和成本。以生產生物材料聚羥基脂肪酸酯PHA為例，為了克服工業生物技術的這些弱點，利用合成生物學技術對底盤生物嗜鹽菌進行系統改造，使其能在無滅菌和連續工藝過程中，利用混合碳源以海水為介質高效生產各種生物塑料前體，獲得了超高PHA積累（92%），使生產工藝的復雜性大幅降低。

1.2生物功能元件人工設計與智能組裝

（1）智能元器件的理性設計。合成生物學是以工程學理念為指導，通過整合生物學功能元件、模塊、系統，對生命體進行有目的的設計、改造，使細胞或生物體具有特定新功能。例如通過人工信號控制目標蛋白的基因表達而構建的定制化哺乳動物細胞，已在實驗室中用于對模式動物血糖水平的控制，如齊墩果酸調控定制細胞治療小鼠糖尿病;胰島素傳感器定制細胞治療小鼠胰島素抵抗;光遺傳學治療小鼠糖尿病等。這其中人工生物功能元件與底盤的精確組裝是關鍵一環，而功能元件的模塊化和標準化是設計的基礎。實現調控元件、表觀遺傳元件、功能酶元件、修飾元件、抗逆元件等分類設計規整及標準化是合成生物學的重要內容。

（2）生物合成體系的理性設計和定向進化。天然產物是新藥發現和發展的主要源泉。天然產物的生物合成研究為合成生物學提供了重要化學結構單元生物合成元件及修飾元件、有效的調控元件以及眾多可操作的微生物細胞底盤。生物合成元件如莽草酸途徑提供的多種取代的苯甲酸結構單元、甲基氨基酸單元和吡啶羧酸單元的合成模塊等;各種修飾酶類如糖基化酶、酰基化酶、甲基化酶、氧化還原酶等;豐富的調控元件，可根據不同酶的催化效率進行差異化時空表達，從而實現原始底物在一系列酶的協同催化下高效轉化為目的產物。

2.合成生物學領域未來的主要研究方向和科學問題

2.1未來合成生物學的主要研究方向

未來應從“先進智能技術”“設計和構建生物功能元件”“人工設計與合成生物體系”等方面作為主要研究方向：

（1）先進智能技術的開發和應用。內容包括：1.基因合成、基因編輯、基因組裝新技術;2.基因密碼子擴展及應用（利用非天然氨基酸設計關鍵酶等）。

（2）人工合成生物體系的建立和重構。內容包括：1.基于合成生物對生命基礎規律進行理解和探索;2.人造細胞重構原理及進化機制（人工多細胞體系，包括動物、植物、微生物等）。

（3）生物元件挖掘及合成生物的高效應用。內容包括：1.代謝網絡重構及其與底盤的適配性;2.合成天然及非天然產物（藥物、生物材料等）。

2.2未來“合成生物學”重點關注的科學問題

具體而言，未來3—5年合成生物學研究應重點關注以下幾個科學問題，通過多學科交叉開展原創性研究。

（1）生物元件及隱性生物合成途徑的挖掘與表征。以生物合成為基礎揭示與闡明關鍵化學規律;生物元（器）件（群）在分子水平的精確表征與規范;建立高質量的重組微生物生產體系庫及基因元件庫;以生物元件為基礎實現生物合成精準調控。

（2）智能元器件及生物合成體系的設計及定向進化。基于功能基因和調控機制開發挖掘智能元件與調控網絡;人工定向進化制造功能定制型生物元件;動態網絡建模解析并優化生物合成體系的關鍵節點;根據需求重建代謝網絡生物體系與智能合成系統。

（3）功能分子人工合成通路及其與底盤的適配性。通過DNA組裝及合成，對底盤細胞進行基因編輯，優化元件線路與底盤細胞;利用代謝工程及系統生物學方法對現有代謝通路進行人工改良;挖掘合成生命的系統集成與適配性規律;闡明生物底盤系統與外源元件交互作用理論。

綜上所述，我國正處于新一輪科技革命和產業變革的重大突破期、國民經濟高質量發展的動力轉換期、科技與經濟發展的深度融通期、增強源頭創新能力的重要攻堅期，合成生物學有望為我國在破解人類面臨的健康、資源、環境、國防等領域的重大挑戰提供新的解決方案，是將生物科技領域基礎研究轉化為實際社會生產力的關鍵科學技術，是現代科學最富前景的領域之一。

參考文獻：

[1]凌焱，李玉霞，劉剛等.合成生物學的特征及應用[J]中國醫藥生物技術，2011，6（3）：209-213

[2]樓鐵柱.合成生物學發展回顧與軍事應用前景展望[J]軍事醫學，2011，35（2）：81-87