合成生物學：操縱生物制造業

　　如果有一天，自然界中的各種生物可以直接用來充當生產產品的機器或者車間，那么，工業生產或許會發生翻天覆地的變化。

　　現如今，這一完美的構想正在逐步落地。

　　自從生物產業被列為國家戰略性新興產業加以培育后，生物制造業也加快了取代化工產業的步伐。而合成生物學由于能夠通過人工設計和構建自然界中不存在的生物系統，來解決能源、材料、健康和環保等問題，也被科技部列為《現代生物制造科技發展專項規劃》中的核心技術之一。

　　隨著合成生物學的發展，或許在不久的將來，生物學家操縱基因工程就像工程師設計機器部件一樣，通過改造生物性狀就能夠得到我們想要的產品。

　　新生命的合成

　　可以說，人類今天的衣食住行能夠得到滿足，以石油工業為基礎的化學合成功不可沒。然而，隨著工業化進程的加快，問題也接踵而至。化學工業的發展不僅給自然環境帶來威脅，甚至悲觀人士還認為，長此以往，地球上化石能源耗盡也是遲早的事。

　　為了緩解環境及能源危機，生物資源的潛在利用價值越來越多地被挖掘出來。以生物質為原料或以生物體機能進行大規模物質加工與轉化的生物制造業，成為各國的戰略重點。

　　而在諸多生物制造的關鍵技術中，合成生物學由于能夠根據人類需要重塑生命體，成為最具誘惑力的研究領域。在Science雜志評出的2010年十大科學突破中，合成生物學排在了第2位。

　　合成生物學是將分子生物學、基因組學、信息技術和工程學交叉融合而產生的一系列新的工具和方法。它就像一個能夠提供成套遺傳基因組件的“工具箱”，可以將生物學版本的“晶體管”和“開關”隨心所欲地插接到“生物電路”上。

　　清華大學生命科學學院教授陳國強對記者表示，合成生物學強調的是“設計”和“重設計”。一方面，設計和建造新的生物零件、裝置和系統;另一方面，根據實際需要，重新設計已有的天然生物系統。而“新生命的合成”也是合成生物學的關鍵，通過新生命的合成擴大生命的能力，更好地為人類服務。

　　中國科學院院士趙國屏則認為合成生物學具備重塑工業生產方式的潛力，與商業化距離極近。他舉例稱，現在科學家正在試圖創造的“細菌藥廠”、“細菌油田”，或者讓人造細菌去攻擊癌細胞以及處理環境污染，都需要合成生物學的參與。

　　“總的來說，合成生物學給未來指明了一條提高工業生物技術競爭力、降低生物制造成本、改造生命體的可能的道路。”陳國強說。

　　技術發展提速

　　目前，合成生物學已經在生物醫藥、生物能源、化工品、環保等領域“大施拳腳”。國際上最為成功的案例莫過于美國加州大學教授Keasling工業化合成青蒿素這一經典之作。

　　青蒿素是中國人首先發現的抗瘧疾良藥，由于天然的青蒿素需要從青蒿中提取，工藝復雜且成本較高，產量也十分有限。而Keasling利用合成生物學手段，在大腸桿菌和酵母中合成出青蒿素的前體物質——青蒿酸，大幅增加了青蒿素產量，也使得每一劑量的藥品成本從10美元降至不到1美元。

　　而對于我國來講，隨著微生物學、遺傳工程、材料科學等技術的發展，合成生物學的工業應用也取得了一系列可喜的進展。

　　光合藍細菌由于具有利用太陽能固定CO2、營養需求低、生長迅速、遺傳背景簡單等良好特質，成為生產可再生燃料和精細化學制品的最佳自養型人工“細胞工廠”。

　　據陳國強介紹，天津大學教授張衛文的研究組就通過合成生物學策略，優化了光合藍細菌底盤，提高了光合效率及耐受性，使該菌類更具工業應用價值。

　　而另一類重要的工業微生物“產溶劑梭菌”，也是溶劑制造業中的重要菌種。如何通過遺傳改造優化其發酵性能一直是該行業的重要課題。然而，由于產溶劑梭菌遺傳操作工具并不完善，研究長期受限。對此，中科院上海生命科學研究院研究員顧陽等人通過重構產溶劑梭菌的某些重要的代謝途徑，進而改進其性狀，最終提高了目標產品的生產能力。

　　不僅如此，合成生物學還對基因合成能力提出了迫切需求。為此，中科院天津工業生物技術研究所研究員田敬東等人開發出基于微芯片的基因合成技術，目前正在向著高通量、高保真、自動化的方向發展。

　　此外，中科院大連化學物理研究所研究員趙宗保成功以釀酒酵母為宿主，構建出香紫蘇醇的人工生物合成途徑，在搖瓶培養條件下，組合優化得到的工程菌株S6的香紫蘇醇產量達到8.96 mg/L。而陳國強的課題組也通過合成生物學，合成出一系列具有不同特征的生物新材料。

　　仍面臨挑戰

　　實際上，基于合成生物學的生物制造業多數還未完全實現，由于生命分子的運作機制極為復雜，要想操縱它遠不是操縱扳手、螺絲刀或晶體管那樣簡單，合成生物學發展的每一段過程都面臨著挑戰。

　　在南京工業大學生物與制藥工程學院教授陳怡露看來，目前，生物學對結構復雜的生物個體以及生物機理的認識還都不夠充分。另外，由于用于生物制造的生物元件標準化未完善，生物模塊之間及模塊與“底盤”細胞之間的兼容性都不可預測，復雜性也難以處理。

　　也就是說，許多生命“零部件”的特征和功能都尚未得到清楚的描述，比如它們的功能是什么，在不同類型的細胞內，或在不同的實驗室條件下，它們是否會有不同的表現等等。

　　而這也是陳國強指出的“新生命的合成”所面臨的挑戰。“比如把相關基因拼到一起之后，可能會合成出一個微生物的代謝通路，但是它卻并沒有按照預期目標大量合成所需要的產物。”

　　同樣，即使每個生物零部件的功能都已知曉，但將它們組合在一起后，其功能也不一定就如預期那樣。與其他可預測性更強的現代工程學科的設計過程相比，合成生物學家往往必須埋頭于煩瑣的試錯過程中。

　　就像西班牙巴塞羅那基因組調控中心系統生物學家路易斯·塞拉諾曾經所說：“我們就像當年發明飛機的萊特兄弟那樣，用木頭和紙反復實驗。用一種東西制造出來試飛一下，掉下來墜毀后，就再用另一種試，或許會飛得稍好一點。”