合成生物学:生命科学的“利器”

来源: 人民日报 日期:2021-04-12

  

  人类进入21世纪以来,一门新兴的交叉学科“合成生物学”成为国际科学前沿一大热门。

  合成生物学,能利用大肠杆菌生产大宗化工材料,摆脱石油原料的束缚;酵母菌生产青蒿酸和稀有人参皂苷,降低成本,促进新药研发;工程菌不“误伤”正常细胞,专一攻击癌细胞;创制载有人工基因组的“人造细胞”,探究生命进化之路;利用DNA储存数据信息并开发生物计算机……作为科学界的新生力量,合成生物学进展迅速,并已在化工、能源、材料、农业、医药、环境和健康等领域展现出广阔的应用前景。

  探究生命起源演化

  解读“密码”改造自然

  生命是世界上最复杂的物质存在。人类自诞生以来,就在认识生命的漫漫长途中上下求索。从中国古代的《黄帝内经》和《本草纲目》,到西方近代博物学家对动植物分类,人类对于生命现象的认识,都是从对生命体的“宏观”观察、“表观”描述而获得的经验型逻辑总结。另一方面,对于譬如尿素之类的“有机物”,化学家们也认为只能由生物体在一种神秘的“生命力”作用下产生。

  1828年,德国化学家弗里德里希·维勒无意在无机实验中合成了尿素,揭开了人工合成有机物的“合成化学”序幕。也就是从19世纪后期到20世纪前半叶,基于数理化技术与方法的实验科学催生了认识生命共同本质的细胞生物学、生物化学、遗传学和发育生物学,而进化论的诞生,则最先将人类对生命的认识,提升到了理论的高度。

  20世纪中叶,随着DNA双螺旋结构的发现,分子生物学“中心法则”的确立,人类开始找到生命现象的“密码本”。而生命另一类基本分子,具有生理活性的蛋白质牛胰岛素一级结构的解析,直接导致了我国科学家于60年代完成其全人工合成,即世界上首次人工合成蛋白质。在同一时代,DNA测序技术的建立,实现了人类“读基因”的梦想;DNA重组技术的建立,实现了人类“写基因”的梦想;再加上在基因定向突变与敲除基础上的“编基因”梦想的实现,分子生物学及基因工程技术在上世纪80年代,将生命科学推向了历史上第一次革命的顶峰。

  至20世纪末,人类基因组计划带来了第二次革命,实现了基因组的全面“解读”,人类对生物体组成和生命规律的认识达到了前所未有的系统生物学的深度和定量生物学的精度。2010年,科学家合成约100万碱基的支原体基因组,并将其转入另一种支原体细胞中,获得可正常生长和分裂的“人造生命”,实现了“撰写”基因组的梦想。此后,科学家又合成了非天然核苷酸、非天然氨基酸;并采用“编辑”基因组的手段,创建出人造单染色体真核细胞……人类掌握了“读”“写”“编”基因组的技术手段,获得了设计与合成生命的能力,200年前盛行于世的“生命力”学说被完全克服。

  什么是合成生物学?

  有什么样的认识(科学)和手段(技术)就有什么样的工程。古代,通过“尝百草”检验植物药性,建立中药体系,通过人工驯化与优选,获取种质资源,建立畜牧业与农业体系,都是利用当时的生物认识和生物技术,造福人类的典型工程实践。今天,怎样利用对生命“密码本”的认识及对其“编写”的手段,改造自然、造福人类?21世纪初, 科学家们将工程科学的研究理念融入现代生命科学,发展出以合成生物学为代表的“会聚”研究,促成了生命科学的第三次革命。

  合成生物学采用工程学“自下而上”的理念,打破“自然”和“非自然”的界限,从系统表征自然界具有催化调控等功能的生物大分子,使其成为标准化“元件”,到创建“模块”“线路”等全新生物部件与细胞“底盘”,构建有各类用途的人造生命系统。这一与系统生物学“自上而下”解析理念相反的合成理念,也将我们习以为常的“格物致知”研究策略,推进到了“建物致知”的新高度。这样,进化过程中“猜测”的祖先物种或分子体系,将可能被合成,并加以定向的诠释;而被各种“假说”“对照”分割研究的复杂生命现象,也可以实现整合的定量研究,解析因果机制。

  合成生物学采用工程学“设计—合成—测试”的研究方法,在学习抽象自然生命系统的基础上,或对自然生物系统“重编程”,或重头设计具有全新特征的人工生命体系;然后,利用“基因编辑”“基因合成”等“工具包”,用实验方法来构建,再对构建出来的生物系统进行测试,如此反复循环优化,形成了一个正向可靠的科学闭环。建筑在如此大规模通用化工程平台基础上的合成生物学,往往也被称为“工程生物学”,它“建物致用”的工程能力,有望为解决健康、能源、粮食、环境等重大问题做出新贡献。

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