随着合成生物学研究的迅猛发展，在基础研究方面，已经可在实验室构建具有可预测特性的遗传线路和模块……在应用方面，可以构建一些新的高效的微生物菌株等。
合成生物学一词最早出现于1911年。随着国际人类基因组计划的完成，21世纪初合成生物学一词开始在学术刊物及互联网上逐渐大量出现。短短几年，合成生物学正以空前的方式，在基础及应用研究、技术方法及产业化等方面取得了很大的进展。
合成生物学新进展
（一）DNA合成
DNA合成技术是支撑合成生物学发展的重要技术之一，其在基因及调控元件的合成、基因线路和生物合成途径的重新设计组装，以及基因组的人工合成等方面都具有重要的应用。近几年来，DNA合成技术发展很快，成本越来越低。2010年12月，《自然·生物技术》在同一期发表了哈佛大学遗传学教授乔治·丘奇（George Church）及其伙伴的两篇论文，他们的技术可使合成一个核苷酸的成本小于1美分。《自然·生物技术》为这两篇论文配发了评论，并在封面专门作了介绍。
（二）基因线路
基因线路是合成生物学的重要组成部分，这些研究不仅可更深入地了解生命的构成方式和调控原理，还可设计具有所需功能的基因元件，进而构建合成生物系统。另外，基因线路的研究也是进行生物分子计算的基础。迄今为止，合成生物学家已经构建了具有各种功能的基因线路，主要包括反馈器和开关、逻辑门（logic gate）、基因振荡器、计数器以及通用性的RNA元件等。
（三）合成基因组（“合成细胞”）
多年来，美国文特尔研究所（J. Craig Venter Institute，简称JCVI）一直在进行合成基因组的工作。2010年，他们报告了从数字化的基因组信息开始，设计、合成和组装了一个具有1.08兆个碱基对的蕈状支原体基因组，将其移植进一个山羊支原体受体细胞，从而创造了一个仅由合成染色体控制的新的蕈状支原体细胞。新细胞内仅有的DNA具有预期设计合成的DNA序列的表型性质，有连续自我复制的能力。文特尔等将新细胞命名为JCVI-syn1.0。
（四）基因组工程
基因组工程是指为了特定目的而对全基因组进行广泛的遗传改造，其中包括如下步骤：遗传系统设计，遗传材料的合成，启动所设计的遗传操作系统以使整个基因组运行，调试检查和排除障碍。2009年丘奇研究组开发了一种大尺度修改和进化细胞基因组的多元自动化基因组工程（MAGE）技术，该技术将大量人工合成的具有各种突变（包括碱基错配、插入和缺失）的单链DNA库导入宿主细胞进行重组，可以快速高效地得到各种突变株。虽然该技术目前只能应用于大肠杆菌，但它使得快速高效地在全基因尺度上对菌株的基因组序列进行设计和修饰成为可能，并极大地加快细胞优化的进程。2009年8月，《科学》杂志发表评述认为，丘奇开发的MAGE技术和文特尔开发的从酵母到其他物种的基因组高效转移技术具有互补作用，都是合成生物学的重要进展，从中我们可以对合成生物学的含义有更好的理解。2011年7月，丘奇研究组在《科学》杂志上发表了基因组工程的新论文－《分层次结合组装基因组工程（CAGE）技术》，通过体内染色体的精准操控，能对全基因组密码子进行替换。此技术提供了一种更有效的操控活体生物的方法，其有可能最终应用于制造更安全、更健全的工业微生物，用以生产各种新药和化学制品。
合成生物学展望
随着合成生物学研究的迅猛发展，在基础研究方面，已经可在实验室构建具有可预测特性的遗传线路和模块，可以创造能够协同存在的新的细胞组合系统，可以构建像JCVI-syn1.0一样的“合成细胞”。在应用方面，可以构建一些新的高效的微生物菌株等。这些都表明合成生物学作为一个新的多学科交叉领域，在构建生命、理解生命的基础科学研究中，在发展能源、医药、农业和其他产业的应用中，都具有巨大的潜力。
基因工程及合成生物学会更加协调发展。基因工程重点聚焦于以分子生物学指导来构建DNA（例如，克隆和PCR）和自动化测序（读DNA）。合成生物学基于过去30多年所发展的工具，结合自动化DNA合成，运用标准的构建、复杂问题的抽提等工程原理，以简化设计过程（写DNA）。2010年10月，《生物分析》杂志指出，通过合成方法生产生物材料可分成8个阶段，并认为从所有天然的DNA到所有合成的DNA之间是“无缝隙”过渡，这从一定意义上可以清楚看出基因工程与合成生物学之间的关系。人们会根据不同目标、不同阶段采用不同的技术手段。
2010年12月，美国生物伦理研究委员会发表了《新方向：合成生物学和新出现技术的伦理》的研究报告。报告指出：在看到合成生物学提供的美好前景的同时，也要特别认真应对潜在的风险，要做负责任的管理者，周到地考虑对人类、其他物种、自然界及环境的影响。报告的发表得到了美国学术界、产业界、公众及媒体的广泛认可。JCVI发表声明，欢迎伦理委员会报告的发布，认为报告内容非常全面，建议非常聪明、监管非常必要。《自然》、《科学》、《柳叶刀》等杂志以及《纽约时报》等媒体、“生物工业组织”等产业协会都作出了积极的反应。这些都为合成生物学的发展提供了极好的氛围和机会。预期本着“大力发展、加强监管”的原则，合成生物学一定会得到更快、更好、更健康的发展。
今后几年，合成生物学将在以下几个方面取得重要进展。一是更多的合成生物学零件及模块会得到表征及标准化；更复杂、更精细的合成基因线路会在原核生物及真核生物中得以应用。
二是在JCVI-syn1.0的基础上，“合成细胞”会进一步进行。在原有基因组基础上，通过增加或减少基因组的组成，了解新“合成细胞”的功能，从而获得组成生命的基本知识，为将来真正“自下而上”从头设计生命奠定基础。
三是针对人类面临的资源、环境、健康等问题，采用自上而下法对自然界现有生物进行重新设计、改造及优化。将来可以根据“量体裁衣”的原则， 来构建微生物，使其利用特定的原料来生产特定的化学品。这包括从零件表征开始，通过CAD软件对细胞代谢途径、酶、遗传控制线路进行设计，在FAB工厂（生物加工制造，Fabrication of biological systems）对这些元件的DNA片段进行编码合成，然后整合到“底盘”生物中得到新的生物催化剂。预计这些研究会在全球得到突飞猛进的发展，并加快合成生物学产业化的步伐。
（来源：科学时报）
上一篇：饮水机发霉 专家建议喝热水
下一篇：超级细菌克星助破解生物耐药性难题
海博微信公众号
海博天猫旗舰店
