合成生物學(xué)及其應(yīng)用研究概述

阿茹娜 鄭婉穎 俞如旺

(福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 福州 350117)

1 合成生物學(xué)及其主要研究?jī)?nèi)容

合成生物學(xué)是一門(mén)通過(guò)合成生物功能元件、裝置、系統(tǒng)，對(duì)生命體進(jìn)行有目標(biāo)的遺傳學(xué)設(shè)計(jì)、改造，使細(xì)胞和生物體產(chǎn)生特定生物功能，乃至合成“人造生命”的學(xué)科。合成生物學(xué)是一門(mén)交叉學(xué)科，會(huì)聚了化學(xué)工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)械工程等，涉及生物物理學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程和分子細(xì)胞生物學(xué)等多種學(xué)科[1]。

合成生物學(xué)研究一方面可以深化人類對(duì)于生命機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為正確理解生物系統(tǒng)及生命演化的奧秘提供必要補(bǔ)充，指導(dǎo)人類深入驗(yàn)證、理解生物現(xiàn)象以及更好地運(yùn)用源于自然的技術(shù)，使生物學(xué)從“觀測(cè)、發(fā)現(xiàn)”走向“建物、創(chuàng)造”；另一方面，合成生物學(xué)開(kāi)辟了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，加速了合成生物系統(tǒng)的工程化進(jìn)程，為醫(yī)藥創(chuàng)新、疾病診斷、資源開(kāi)發(fā)、生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面開(kāi)拓新的思路。

1.1 元件工程 依照工程學(xué)理念，合成生物學(xué)將生命系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、功能最簡(jiǎn)單的單元統(tǒng)稱為生物元件[1]，其生物學(xué)本質(zhì)是具有特定功能的DNA序列、RNA序列、氨基酸序列或蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域。元件工程的中心目標(biāo)包括：①對(duì)現(xiàn)有生物元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造以獲得目標(biāo)功能；②開(kāi)發(fā)自然界中本不存在的新型元件。常見(jiàn)的元件按照功能可以劃分為非催化元件和催化元件兩類。非催化元件有啟動(dòng)子、終止子、轉(zhuǎn)錄單元、質(zhì)粒骨架、核糖體結(jié)合位點(diǎn)等；催化元件則是經(jīng)過(guò)定向改造或重新設(shè)計(jì)合成的酶類。例如，核糖體結(jié)合蛋白本是一種缺乏酶活性的感受蛋白，研究人員運(yùn)用復(fù)合胺替代原本的自然配體，可使其轉(zhuǎn)化為具有一定催化功能的活性蛋白。

2003年，美國(guó)麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室成立了標(biāo)準(zhǔn)生物元件登記庫(kù)，收集符合標(biāo)準(zhǔn)化條件的生物元件，截至目前已有超過(guò)兩萬(wàn)個(gè)生物元件登記在庫(kù)[2]。元件庫(kù)的建立與擴(kuò)充是合成生物學(xué)發(fā)展的重要標(biāo)志。

1.2 遺傳線路工程 遺傳線路，即基因線路，是由調(diào)節(jié)元件和被調(diào)節(jié)的基因構(gòu)成的生物裝置，它在特定條件下可調(diào)控基因產(chǎn)物的表達(dá)。人工基因線路通過(guò)遺傳線路工程合成，主要有兩大類： 一類是基本型人工基因線路，另一類是組合型人工基因線路。

基本型人工基因線路主要是借鑒邏輯電路的設(shè)計(jì)規(guī)則研究基因線路的邏輯關(guān)系與調(diào)控方法，構(gòu)建生物控制器件，如基因表達(dá)調(diào)控開(kāi)關(guān)、生物振蕩器、邏輯信號(hào)門(mén)、信號(hào)過(guò)濾器等。這些基本型人工基因線路可以轉(zhuǎn)移至細(xì)菌、病毒或人體細(xì)胞等生物中進(jìn)行定向改造，從而用于疾病的診療等。組合型人工基因線路是以基本型人工基因線路為基礎(chǔ)器件搭建的復(fù)雜遺傳裝置，可用于模擬高級(jí)的生命過(guò)程。2014年，歐陽(yáng)頎等編程出一種人工基因線路，能夠在大腸桿菌中執(zhí)行類似巴甫洛夫式條件反射行為，重現(xiàn)高等生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能[3]。

1.3 基因組工程 隨著基因組測(cè)序、DNA合成技術(shù)以及基因編輯技術(shù)的逐步成熟，將基因組從頭合成與重設(shè)計(jì)的基因組工程應(yīng)運(yùn)而生。基因組拼裝、轉(zhuǎn)移技術(shù)是合成生物學(xué)領(lǐng)域的核心技術(shù)體系，其革新與完善將有效推動(dòng)合成生物學(xué)的發(fā)展。基因組的設(shè)計(jì)與構(gòu)建不僅是探索基因功能的研究手段，而且可創(chuàng)建用于疾病治療、藥物生產(chǎn)的新生命體。自世界首個(gè)由化學(xué)合成基因組控制的原核生物支原體——Synthia誕生以來(lái)，科學(xué)家在人工構(gòu)建細(xì)胞器染色體、酵母染色體臂等基因組重新合成領(lǐng)域不斷取得新的突破。自2011年起，多個(gè)國(guó)家的研究人員聯(lián)合展開(kāi)第一個(gè)真核生物基因組合成計(jì)劃——合成酵母基因組計(jì)劃(Sc2.0)。2018年，覃重軍團(tuán)隊(duì)利用CRISPR-Cas等基因編輯技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了單染色體啤酒酵母細(xì)胞——SY14的人工創(chuàng)建，是合成生物學(xué)基因組工程與細(xì)胞工程方面的里程碑式進(jìn)展。SY14的成功構(gòu)建打破了教材中原核生物與真核生物的界限，并為端粒功能及細(xì)胞衰老的研究提供優(yōu)良模型。

1.4 代謝網(wǎng)絡(luò)工程 相比于傳統(tǒng)代謝工程，合成代謝工程強(qiáng)調(diào)構(gòu)建“自然界中不存在的生化系統(tǒng)”，利用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的基因、酶等生物元件，重新構(gòu)建菌株代謝網(wǎng)絡(luò)，高效地合成符合人類需求的代謝產(chǎn)物。通過(guò)對(duì)大規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算分析，可設(shè)計(jì)出特定生物產(chǎn)品的最優(yōu)合成途徑，有效協(xié)助研究人員找到適當(dāng)?shù)拇x工程改造策略，提升改造過(guò)程的精確性[4]。如今，代謝網(wǎng)絡(luò)工程已能夠基于異源宿主的代謝信息，整合已知或預(yù)測(cè)的外源酶功能特性，改變或合成感興趣的代謝途徑。例如，改變大腸桿菌的氨基酸合成代謝途徑，生產(chǎn)生物柴油、汽油、異丁醇[1]；基于酵母菌底盤(pán)，制造抗瘧藥物青蒿素前體物質(zhì)青蒿酸。2015年，Galanie團(tuán)隊(duì)完成了目前微生物中最長(zhǎng)的植物天然化合物代謝途徑，在面包酵母中實(shí)現(xiàn)阿片類藥物全合成[5]。

1.5 21世紀(jì)以來(lái)合成生物學(xué)領(lǐng)域的重大突破 1979年，美國(guó)化學(xué)家Har Gobind Khorana合成了207個(gè)堿基對(duì)的DNA序列，合成生物學(xué)從此開(kāi)啟[6]。進(jìn)入21世紀(jì)后，合成生物學(xué)取得諸多突破。代表性進(jìn)展如圖1。

圖1 21世紀(jì)以來(lái)合成生物學(xué)研究的代表性進(jìn)展

2 合成生物學(xué)的應(yīng)用研究

2.1 疾病診療 現(xiàn)今，腫瘤、糖尿病等仍是導(dǎo)致高死亡率的疾病。應(yīng)用合成生物學(xué)，為這些疑難雜癥的治療提供新的思路和解決方案。

2.1.1 糖尿病的治療 利用生物傳感體系人工合成基因環(huán)路是近年來(lái)糖尿病治療的主要研究方向。主要有2種光調(diào)控環(huán)路： ①光調(diào)控基因環(huán)路： 將含有光調(diào)控系統(tǒng)的工程化細(xì)胞移植至患病小鼠體內(nèi)，此工程化細(xì)胞基因環(huán)路由光感受器視黑素與效應(yīng)器兩部分構(gòu)成。視黑素為一類G蛋白偶聯(lián)受體，效應(yīng)器則由響應(yīng)活化T細(xì)胞核因子的啟動(dòng)子(PNFAT)及胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)基因構(gòu)成。在藍(lán)光刺激下，視黑素構(gòu)象改變，GLP-1基因表達(dá)啟動(dòng)，刺激胰島β細(xì)胞增殖分化，從而促進(jìn)胰島素合成并分泌，起到降血糖的效果。病患只需照射藍(lán)光就能得到降血糖的治療結(jié)果，減輕其治療過(guò)程中的痛苦。且與化學(xué)誘導(dǎo)物比較，藍(lán)光具有誘導(dǎo)速度快、毒性低等特點(diǎn)，能夠克服吃藥、打針等傳統(tǒng)治療方法的局限性[7]。②微波調(diào)控基因環(huán)路： 該體系所利用的感知元件是一種熱敏感型離子通道蛋白(TRPV1)。在低頻微波輻射作用下，與之結(jié)合的鐵蛋白聚合物可發(fā)生磁熱效應(yīng)釋放熱能，使細(xì)胞局部溫度升高，激活TRPV1離子通道，使鈣離子內(nèi)流而激活NFAT信號(hào)通路，從而啟動(dòng)基因環(huán)路中胰島素原的表達(dá)，調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)[8]。

2.1.2 腫瘤的診療 經(jīng)過(guò)人工基因線路改造而成的人工細(xì)胞、人工細(xì)菌以及人工病毒，具有計(jì)算、感知、記憶、響應(yīng)等功能，當(dāng)人工生命體感知腫瘤或病灶區(qū)域的特異信號(hào)，就會(huì)輸出報(bào)告分子或釋放治療藥物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)癌癥病人生理狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、診斷以及治療。

合成生物學(xué)將群體感應(yīng)、生物計(jì)數(shù)器和自殺開(kāi)關(guān)等人工基因線路的設(shè)計(jì)編寫(xiě)入細(xì)菌中，提升腫瘤細(xì)菌療法的安全性和有效性。M. Omar Din等利用群體感應(yīng)的基因線路設(shè)計(jì)工程化裂解菌，腫瘤環(huán)境內(nèi)生長(zhǎng)的工程細(xì)菌數(shù)量達(dá)到一定濃度閾值后自動(dòng)裂解，并釋放出抗腫瘤藥物。由于體內(nèi)始終維持較低的細(xì)菌數(shù)量，從而可以降低其對(duì)周圍組織的毒副作用[9]。與人工細(xì)菌作用原理相似，人工改造的溶瘤病毒在腫瘤細(xì)胞中特異性復(fù)制并殺傷腫瘤細(xì)胞，但不傷害健康組織，同時(shí)還會(huì)克服腫瘤免疫抑制，促進(jìn)機(jī)體免疫修復(fù)。

除了對(duì)細(xì)菌與病毒進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)改造后的人類自身細(xì)胞運(yùn)用于腫瘤診療也取得新的進(jìn)展。嵌合抗原受體T(chimeric antigen receptor T， CAR-T)細(xì)胞免疫療法就是利用人工合成的嵌合抗原受體工程化改造T細(xì)胞。抗原受體經(jīng)重新設(shè)計(jì)后具備更廣泛的腫瘤抗原識(shí)別能力，人工設(shè)計(jì)的T細(xì)胞在體外擴(kuò)增培養(yǎng)后輸入患者體內(nèi)，能夠特異性殺傷腫瘤細(xì)胞，增強(qiáng)免疫反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)靶向治療。

2.2 環(huán)境修復(fù) 科技、經(jīng)濟(jì)、文化迅猛發(fā)展的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題成為21世紀(jì)無(wú)法忽視的挑戰(zhàn)。新興污染物堆砌的垃圾山、溫室效應(yīng)氣體的排放以及化石能源耗竭等使生態(tài)系統(tǒng)自然修復(fù)難以實(shí)現(xiàn)。

利用生物合成技術(shù)開(kāi)發(fā)新型生物能源是解決能源危機(jī)的重要途徑。工程化大腸桿菌的非發(fā)酵代謝途徑生物合成的1-丁醇燃料接近汽油的能量密度，且不易揮發(fā)；氫氣是未來(lái)最有前景的綠色清潔能源，多酶分子機(jī)器技術(shù)將多種酶進(jìn)行適配，利用生物質(zhì)原料，能夠從1個(gè)葡萄糖單元中獲得12個(gè)氫氣分子。該技術(shù)生產(chǎn)氫氣具有易存儲(chǔ)、安全性高且不產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體的優(yōu)勢(shì)。

新興污染物種類繁多，包括抗生素、洗滌劑、阻燃劑以及部分農(nóng)藥等。現(xiàn)有微生物降解菌難以應(yīng)對(duì)層出不窮的新興污染物。分析現(xiàn)有降解菌代謝通路信息的幾種催化元件，利用合成生物學(xué)技術(shù)定向設(shè)計(jì)、改造并組合降解元件、抗逆元件、趨化元件等，構(gòu)建能夠降解一種或多種污染物、具有全新代謝網(wǎng)絡(luò)的工程菌，建立智能高效降解微生態(tài)系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)與修復(fù)[10]。

3 合成生物學(xué)研究面臨的挑戰(zhàn)

合成生物學(xué)在蓬勃發(fā)展的21世紀(jì)顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢铣缮飳W(xué)給人類社會(huì)、自然生態(tài)可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也不容忽視： ①合成生物的進(jìn)化具有不確定性，這是因?yàn)槿斯?dǎo)入外源片段的細(xì)胞具有非自然存在的嶄新功能，其遺傳信息可能發(fā)生難以預(yù)估的變化，在自然選擇中展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)而無(wú)限增殖，或許會(huì)促使“超級(jí)細(xì)菌”的誕生，其結(jié)果必然會(huì)對(duì)其他生物甚至人類的生存帶來(lái)威脅；②人造生命與自然界現(xiàn)存的其他物質(zhì)之間的相互作用難以預(yù)估，可能出現(xiàn)意料之外的副效應(yīng)，或是合成的基因傳入其他自然物種中，使自然界基因庫(kù)遭受污染，引起基因變化，造成環(huán)境災(zāi)難；③合成生物學(xué)研究若得不到有效管理，有可能被“錯(cuò)用”為生物武器，可以嚴(yán)重危害人類安全。2004年，美國(guó)科研人員人工合成了“西班牙流感病毒”，該病毒曾在1918年致使全世界上千萬(wàn)人死亡，雖然其研究者稱合成“西班牙流感病毒”有利于深入理解致命病毒機(jī)制，但是萬(wàn)一該病毒從實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)散出去，其可能的危害絕對(duì)不容低估。因此，加強(qiáng)合成生物學(xué)研究的管理至關(guān)重要。人為設(shè)計(jì)生命意味著將“人”置于造物主的地位，將人的意志和文化嵌入生命的進(jìn)化中是對(duì)傳統(tǒng)生命倫理的挑戰(zhàn)。合成生物學(xué)的發(fā)展不得不引發(fā)人們對(duì)生命意義的反思。