| 生物學理性設計之門 |
近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員劉陳立與中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心趙國屏在《自然綜述：生物工程》上發表評述文章，提出了開拓“定量合成生物學”這一新范式，將解決合成生物學“理性設計”的瓶頸問題。
該文章通過總結三種合成生物學的設計范式，強調建立可定量預測生物系統的數理或AI模型，以推動合成生物學從“反復試錯”邁向精準預測，提高生物系統理性設計能力，加速生物制造與生物經濟發展。
論文截圖
“反復試錯”的舊范式亟待新突破
合成生物學正成為推動下一代生物制造和生物經濟發展的強大引擎。二十多年來，隨著DNA合成、基因編輯等技術的不斷革新，人們對于合成生物系統的構建能力迅速提升，但設計能力仍然十分有限。
由于生物系統的復雜性，即使科學家們已經了解各個生物元件的功能，但將其組合在一起所產生的生物系統卻不一定會表現出預期的功能。
據了解，目前大部分合成生物系統的構建主要依靠人工反復試錯，這種方法速度慢、效率低，極大地限制了合成生物學的發展。因此，合成生物學目前面臨的最大挑戰之一，就是如何提高理性設計的能力。
要理性設計具備特定功能的合成系統，關鍵在于深刻理解生物系統功能產生的原理，而這正是當前合成生物學研究極少觸及的深層次問題。為此，文章作者呼吁，合成生物學必須向新的高度上升，開啟理性設計的新篇章。
“定量+合成”，解決“理性設計”難題
作者提出，所謂理性設計，就是基于“預測”的設計。當把生物分子、基因、線路組合為合成生物系統時，如果能對其行為進行精確預測，就能預知如何構建系統以獲得預期的功能，從而避免反復試錯。對此，作者總結出定量合成生物學三種理性設計的范式：
一是基于原理的設計。將生物系統抽象為數理模型，揭示生命功能產生的原理，然后根據原理設計合成生物系統。對于較為簡單的生物功能，科學家們已經建立了成熟的理論模型，因此合成生物學早期的很多經典工作便是采用這一范式。
二是“自下而上”的設計。對于更復雜的生命功能，往往難以建立理論模型。很多研究采用了“自下而上”的方式，通過“碰運氣”的方式，嘗試將元件用不同方式組裝，以期獲得生物學功能。在過去的合成生物學研究中，一旦得到有趣或者有用的功能，研究就算成功了。然而，進入定量合成生物學范式，研究才剛剛開始，當得到了具有特定功能的系統，研究者就能利用它來理解背后的原理，從而用來指導設計新的系統。
三是人工智能輔助的設計。人工智能算法不需要理解生物系統內部的工作原理，而是基于大數據，尋找元件與功能之間的隱藏規律，從而預測應該如何設計元件以產生特定功能。這一范式依賴于海量的高質量、標準化數據，因此，未來的合成生物學迫切需要自動化、高通量的設備平臺和標準化的實驗方法。
這三種設計范式都強調與定量分析方法的緊密結合，利用數理邏輯與定量關系對生物系統作出定量預測，為合成生物系統的理性設計提供依據。基于此，作者提出“定量合成生物學”作為合成生物學未來的發展方向。定量合成生物學吸納了定量生物學與系統生物學的思維與方法，通過建立可定量預測生物系統的數理或AI模型，能夠有效指導合成生物系統的設計與構建，從而解決“理性設計”這一合成生物學的瓶頸問題。
三種理性設計范式 研究團隊供圖
“定量”熱潮掀起推動領域發展
當前，生物制造正成為全球新一輪科技革命和產業變革的戰略制高點之一，而合成生物學的發展為生物制造提供了最底層的技術支撐。《“十四五”生物經濟發展規劃》中，明確將生物制造作為生物經濟戰略性新興產業發展方向。預計到2035年，合成生物學賦能應用將占全球制造業產出的1/3以上，價值近30萬億美元。盡管我國合成生物產業起步相對較晚，但發展速度驚人，相關合成生物學市場估值已超百億。
“合成生物學產業雖然展現出巨大發展潛力，吸引了資本的關注，但整體發展還處在一個早期階段。提升理性設計能力是當務之急，也是國際共識。”論文第一作者、深圳先進院副研究員羅楠表示。
據了解，2017年，深圳先進院設立了定量合成生物學研究中心，在國際上首次提出定量合成生物學這一交叉學科概念，該中心于2020年獲批中國科學院定量工程生物學創新交叉團隊和重點實驗室。2021年，我國召開定量合成生物學香山科學會議。2023年6月，深圳先進院獲批建設定量合成生物學重點實驗室（中國科學院）。在這個過程中，定量合成生物學這一新方向已逐步獲得國際同行的認可和關注，例如，ACS Synthetic Biology、Quantitative Biology、《科學通報》《合成生物學》等國內外學術期刊相繼出版“定量合成生物學”專輯；在2024年最新召開的合成生物學國際會議——合成、工程、進化和設計會議上，設立了“建模和定量合成生物學”專題研討會；美國杜克大學和意大利TIGEM研究所等國際科研機構也開始布局“定量合成生物學”方向。
該評述文章的發表意味著，由我國科學家提出的“定量合成生物學”學科方向已經逐漸成為國際共識，展現出了蓬勃的生命力與廣闊的發展前景。
劉陳立表示，發展定量合成生物學，將推動合成生物學從定性、描述性、局部性的研究，向定量、理論化和系統化的變革，從而使合成生物學不再僅僅作為一門工程技術性的學科，而是成為推動基礎生物科學的重要力量。
該研究中，劉陳立和趙國屏為共同通訊作者，劉陳立課題組副研究員羅楠為論文第一作者。深圳先進院為該研究第一單位。
相關論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44222-024-00224-y
山西大學智能信息處理研究所團隊在圖神經網絡研究方面取得重要進展，相關成果5月23日發表于人工智能領域國際期刊《IEEE模式分析與機器智能學報》（IEEETransactionsonPatternAna......
原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/10/531421.shtm10月11日，科幻電影《749局》科影融合特別場在京舉行。電影主創團隊與科技領域相......
10月11日，甘肅省迎來了職業教育領域的一個重要里程碑——甘肅林業職業技術大學正式揭牌成立。這一歷史性時刻標志著歷經六十八載發展的甘肅省唯一一所林業類高等院校，正式邁入了本科教育的新階段，開啟了新的征......
”標志性科考活動獲系列重大突破 “第二次青藏科考標志性科考活動守護水塔‘一原兩湖三江’科考主體任務已經基本完成，這次科考從天到地、從冰到水取得了全方位的進展。”第二次青藏科考隊隊長、中國科學......
關于確定2024年國家環境健康管理試點名單的通知北京市、河北省、內蒙古自治區、遼寧省、黑龍江省、江蘇省、浙江省、江西省、山東省、湖北省、湖南省、廣東省、重慶市、四川省、貴州省、陜西省、青海省生態環境廳......
10月8日，華中農業大學果蔬園藝作物種質創新與利用全國重點實驗室、藥用植物資源可持續利用團隊梅之南教授和楊慶勇教授課題組，發布了首個專門面向菊科植物的多組學數據庫平臺——AsteraceaeMulti......
實驗桌上堆放著精密儀器和焊接工具，電腦上是正在運行的電路圖，一頁頁寫滿了數據、畫滿了圖樣的紙張在桌面鋪開，各式或大或小的電子元件前，南京郵電大學工程實驗教學部創新中心副主任郝學元正在埋首研制電工電子實......
近日，記者從中國計量大學獲悉，該校生命科學學院蜜蜂與蜂產品學研究團隊主持的兩項推薦性國家標準《GB/T44349-2024 蜂花粉總多酚的檢測福林酚試劑比色法》和《GB/T44350-202......
10月10日，由廣東省機械行業協會組織并主持召開的“面向軟性物料的多級賦碼追溯柔性包裝生產線研制與應用”項目科技成果鑒定會議在廣東佛山舉行。經專家鑒定，該項目成果總體技術水平達到國際先進水平。記者獲悉......
近日，中國熱帶農業科學院橡膠研究所組培與轉基因團隊在全球率先獲得了橡膠樹CRISPR/Cas9純合基因編輯橡膠苗。相關研究成果在線發表于《經濟作物和產品》（IndustrialCropsandProd......