鄭慶飛：從合成化學走向合成生物學

　　“如果把海南島上所有的天然橡膠都收割來用于做鞋，全中國每人一只都不夠，沒有合成橡膠技術，我們連鞋都不夠穿。”人類今天的衣食住行能夠得到滿足，合成化學功不可沒。

　　合成生物學中更多地是在使用已有的或改造過的基因模塊通過工程學手段拼裝、搭建一個自然界中本沒有的生命體系。

　　合成化學功不可沒

　　合成化學，這一概念大家也許并不陌生。早在1902年，第二屆諾貝爾化學獎頒發給合成化學大師、生物化學之父——Emil Fischer;1905年諾貝爾化學獎則頒發給Fischer的導師、化學染料合成大師——Adolf von Baeyer，這兩位合成先驅的高超合成技法至今看來仍然精彩至極。

　　此后又有多位合成化學家陸續斬獲諾貝爾化學獎。可以說在百年諾獎歷史上，合成化學家的名字舉不勝舉，合成化學在人類發展過程中的重要地位也可見一斑。

　　所謂合成化學，就是使用簡單、易得、廉價的化學原料通過一系列的化學反應最終得到目標產物。合成化學并不狹義地僅限于有機合成化學，無機合成化學、納米化學都是典型的合成化學，因成功制備單質F2而獲得諾貝爾化學獎的藥劑師Moissan以及因為發明合成氨方法而獲得諾貝爾獎的Fritz Haber也是著名的合成化學家。

　　我的一位化學啟蒙老師曾說：“如果把海南島上所有的天然橡膠都收割來用于做鞋，全中國每人一只都不夠，沒有合成橡膠技術，我們連鞋都不夠穿。”人類今天的衣食住行能夠得到滿足，合成化學功不可沒。

　　合成化學的局限

　　然而，隨著工業化的發展，越來越多的問題也開始浮出水面。上個世紀，《寂靜的春天》一書犀利地指出了人類化學工業發展給自然帶來的巨大問題，其中充滿諷刺意味的是引起嚴重污染的DDT分子。其作用發現者和推廣者Paul Hermann Müller卻在1948年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。DDT此后一度被禁止使用并且引發了科學家們對于合成化學危害性的進一步討論。

　　但是故事遠沒有結束，由于暫時還未能找到一種更經濟有效、對環境危害又小且能代替DDT的殺蟲劑，世界衛生組織于2002年宣布，將重新啟用DDT用于控制蚊子的繁殖以預防瘧疾、登革熱、黃熱病等在世界范圍的卷土重來。

　　隨著地球上石油儲備的日漸減少，合成化學面臨著新的挑戰，目前以石油工業為基礎的化學合成工業未來將何去何從引人深思。悲觀者認為，隨著石油的耗盡，人類將逐漸倒退回石器時代;樂觀者認為，聰明的合成化學家一定能開發出新的廉價原料以替代石油化工原料。

　　斯坦福大學化學系主任、著名化學家B.M.Trost提出了他的解決方法：化學反應的“原子經濟性”(Atom economy)，即在化學品合成過程中，合成方法和工藝應被設計成能把反應過程中所用的所有原材料盡可能多地轉化到最終產物中。

　　如果原料能百分之百地轉化為產物，那是令人滿意的，因為這樣可以盡可能減少副產物對于環境的污染和對于資源的浪費。但是這僅僅是一個退守的方案，而并不是一個最終的解決辦法。現有的常見原料遲早都會耗盡、大量低沸點有機溶劑的使用始終難以避免、重金屬催化的反應越來越多……如果沒有革命性的新理念，恐怕多年后合成化學將面臨更大的危機。

　　“年輕”的合成生物學

　　近年來，“合成生物學”的概念開始進入我們的視野。

　　ACS(美國化學學會)在2012年推出關于合成生物學的雜志ACS Synthetic Biology;我國天津大學、中科院植生所、武漢大學藥學院、中科院生物物理所紛紛成立合成生物學及相關平臺;清華大學生命科學院教授陳國強、戴俊彪都無私提供自己的科研實驗室支持本科生進行合成生物學研究探索。

　　那么，何謂“合成生物學”呢?

　　2000年E. Kool將之定義為基于系統生物學的遺傳工程，從基因片段、人工堿基DNA、基因調控網絡與信號傳導路徑到細胞的人工設計與合成，類似于現代集成型建筑工程，將工程學原理與方法應用于遺傳工程與細胞工程的生物技術新領域。

　　很多人狹義地認為合成生物學就是“全合成生命”，即利用化學合成的方法從頭合成一個具有生命活力的細胞或病毒。而實際上，合成生物學中更多地是在使用已有的或改造過的基因模塊通過工程學手段拼裝、搭建一個自然界中本沒有的生命體系。

　　助解多種難題

　　那么，合成生物學有望解決哪些問題呢?

　　首先是能源問題。

　　石油、煤、天然氣都來自于古代植物對于太陽能的積累，是將太陽能轉化為化學能儲存的反應過程。嚴格地說這些都應該是可再生資源，但是億萬年的形成周期實在讓人類無法等待，因此這些資源成為了“非再生資源”。

　　那么是否能夠加速這一過程?是否可以通過合成生物學構建新的生命反應體系快速有效地固定太陽能并轉化成更夠為人類利用的化學形式?

　　某些經過合成生物學方法改造過的光合藻類富含大量的脂質，被人們稱為“生物柴油”，目前已經有一些使用“生物柴油”的熱機問世。但是此項研究問題不少，遠遠不足以解決日益嚴峻的能源危機問題，這需要更多代的科學家不懈努力。

　　其次是化工原料問題。

　　我們的祖先早已開發出了釀酒、釀醋等微生物發酵技術，除了食用，乙醇和乙酸都是重要的工業原料。除此之外，微生物還能通過糖酵解等過程為我們提供丁醇、乳酸、甲烷等工業原料。通過其他方法，還可以從中獲取甘油、丙酮酸、氨基酸等具有潛在工業價值的原料。

　　或許很多年后，工業上不再使用乙烯生產量來衡量化工生產能力，而開始利用全新的模塊、原料來構建新的工業大廈，這些原料不再來源于石油，而是從發酵罐中源源不斷取來。

　　第三，則是醫藥健康問題。

　　真菌、放線菌、植物能夠產生結構新穎、生物活性多樣的次級代謝產物，大部分臨床抗生素來源于這些次級代謝產物。其中很多藥物分子由于天然含量低、提取困難等因素，目前還是通過全合成或半合成為主要方式得到，因此價格昂貴。

　　通過合成生物學手段，將產生這些代謝產物的基因簇進行異緣表達并利用發酵工程進行大規模制備，將可能是一個解決藥品供應和價格昂貴問題的方法。但是這一過程并不容易實現，需要涉及到很多代謝途徑改造、密碼子優化、瓶頸效應避免等問題。絕不是說只要發現的天然產物就可以立刻大規模發酵得到，每一個化合物的工業化生產都是一個巨大的挑戰。

　　此外，合成生物學還有助于解決環境問題。

　　“白色污染”成為上個世紀人類最為頭疼的環境問題之一，可降解塑料的研究也成了科學界的熱點問題。“生物塑料”是一個比較新的概念，目前發現60個屬以上的細菌能夠合成并貯藏聚β-羥基丁酸(PHB)的顆粒。PHB無毒、可塑、易降解，可用于制作醫用塑料器皿和外科手術線等。

　　通過合成生物學手段有望得到更高產、更多樣性的生物塑料生產菌株。取之于自然、用之于自然，人與其他生物和諧相處，這將是解決環境問題的必由之路。