Cell、Nature同展望 合成生物学的5大挑战（一）

　　

生物通报道，本世纪生物科学技术的发展被视为第四次科学浪潮，“合成生物学”被誉为：将生物领域基础研究转化为实际社会生产力的学科。这一连接基础学科与实际应用学科的领域，这一门新生学科存在哪些挑战，Nature一篇社论文章也许会给您找到答案。

 

近期，不仅Nature推出合成生物学（synthetic biology）展望文章，《Cell》也在不久前刊发了合成生物学的观察文章，有兴趣的读者可以查看生物通的前期报道：《Cell》前沿展望 合成生物学重塑生命 

 

“合成生物学”是国际上刚刚出现的一门新生学科，它是用有机化学及生物化学的合成能力去设计非天然的、合成的分子，进而使这些分子在生命系统中有活性功能。合成生物学的最终目标是重塑生命。

 

“合成生物学”的先决条件在于，生物学家破解生命运行规律，再谈人造生物系统，这一切目前还是初步的构想。人造生物系统工程学与机械工程学相比，更为复杂、更为精细。

 

据文章作者介绍，生物合成学的研究模式为：掌握生命系统控制各种功能的遗传序列特征；将各个复杂的部件窜在一起组成复杂的生命系统执行复杂的生命功能；将人工设计的复杂系统插入载体细胞中。正如所有的生命都建立在遗传序列基础上一般，生物合成学专家必须从序列研究开始，对各种序列的特征功能进行全面详细地了解。

 

Biodesic公司工程与设计首席顾问Rob Carlson表示，这还不是合成生物学的全貌，还有很多具有多种功能的小分子需要科学家们去了解。这将是横亘在“合成生物学”面前的鸿沟。据Rob Carlson介绍，目前合成生物学领域存在5大挑战。本文将以连载形式，介绍这5大挑战。

 

挑战一 对生命功能“部件”了解不充足

生物合成学可以简单地分为两个方面，一个是生物学方面的研究，一个是生物工程学方面的研究。

 

生物学方面的研究是生物合成学的基石，只有完全认识生命、揭示生命的奥秘才可能进行人为设计改造工作。

 

从基因序列角度来看，每一个基因编码特殊的蛋白，各种蛋白担任多种职责，它们如何运行，如何运作，不同的条件下它们工作的机制是否有区别，在不同类型的细胞中它们运行是否存在差异？等等这些问题，是解决生物合成学基础问题的开端。

 

对生命现象和生命功能进行标准化的描述成为首要的难题，生命系统是一个巨大又复杂的网络系统，基因网络系统、细胞网络系统、信号网络系统等，各种网络系统之间又有着复杂地沟通、调节和控制机制。

 

要实现人造高等生命系统的使命，建立一套标准化的生命规则图谱是关键。

 

合成生物学

合成生物学主要研究4个方面的内容：细胞是由蛋白质、核酸与其他分子组成的一个网络，合成生物学首先要研究的是细胞网络；二是研究基因线路；三是合成生物材料与物质；四是最小基因组与合成生物。

 

（生物通 张欢）

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Five hard truths for synthetic biology，Published online 20 January 2010 | Nature 463, 288-290 (2010) | doi:10.1038/463288a

 

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合成生物学成就

尽管生物学还是一个相对年轻的研究领域，但人类合成“生命”的脚步从未停止过。1828年Wohler合成尿素；1953年Miller通过放电合成氨基酸；1965年中国科学家合成牛胰岛素；1979年Khorana合成酪氨酸阻遏tRNA基因；1981年中国科学家合成酵母丙氨酸tRNA；2002年Wimmer小组合成脊髓灰质炎病毒(约7400bp)；2003年Venter小组合成噬菌体psiX174(约5400bp)；2008年Venter小组合成生殖道支原体基因组(582.790kb)。

 

美国、欧盟不断加大合成生物学领域研究的投入。美国国家自然科学基金会（NSF）2006年投入2000万美元资助建立合成生物学工程研究中心，由UCB、哈佛大学、MIT、加州大学旧金山分校(UCSF)等共同组建。欧盟2007年启动了“合成生物学——新的及刚出现的科学技术引导项目”(European Commission project II)。