Science最新专题：合成生物学

　　

生物通报道  合成生物学（Synthetic Biology），简单而言就是以人工手段制造生物系统，与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，合成生物学的研究方向完全是相反的，它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），让它们像电路一样运行。

这一学科之所以被誉为第四次科技浪潮中的弄潮儿，在于它可将impossible变成every thing is possible，合成生物学的最高境界是灵活设计和改造生命，重塑生命体。这门学科真正进入大众视野，是缘自2010年首个人造单细胞生物“辛西娅”（Synthia）的诞生，这一发现也入选了2010年Science十大科学突破。

9月2日最新一期的Science杂志就以Synthetic Biology为核心展开了专题介绍，其中包括1篇前言介绍，4篇新闻，2篇评论,1篇展望和1篇政策论坛文章。

首先Valda Vinson和Elizabeth Pennisi就以“合成生物学的诱惑”（The Allure of Synthetic Biology）为题进行了介绍，自从1972年美国Paul Berg第一次成功地进行了DNA重组后，生物学家们便开始广泛致力于各种合成、重构和改造生物基因组的研究工作。近年来随着大规模基因组测序技术和分析方法的成熟，生命科学研究进入了基因组时代。而合成生物学正是在以基因组为核心的现代生物学和系统生物学基础上发展起来的一个工程生物学的热点研究领域。

合成生物学的研究目前主要朝着两个方向发展。一是设计、建造具有生物功能的元件如生物分子或反应系统、生物装置和基因网络、多元件组成的功能单位及其更高级复杂系统的组装等。二是开发建立生物制造所需要的技术，包括如大分子基因组合成技术，生物功能元件的分析与测试技术，生物体信息的捕获与处理技术，系统模拟与控制技术等。实现手段涉及生物、化学、物理、材料、制造、信息等学科领域的方法和技术。

由于合成生物学囊括了与人类自身和社会发展相关的各个研究方向和内容，以解决人类可持续发展所面临的重大挑战性问题，如生物医学、药物合成、可循环化工、环境与能源、生物材料以及生物反恐等问题，因而被预言为未来生物技术经济发展的主要推动力。

近年来合成生物学研究进展迅速，其中我们也可以看到中国及华人学者在其中做出的重要贡献。近期来自奥地利国际对话与冲突研究所(IDC)生物安全组裴雷博士与中国科学院植物研究所的研究人员联合发表了题为“Synthetic biology: An emerging research field in China”的综述性文章，介绍了目前中国合成生物学研究的现状和一些不同的研究亚方向，以及对于国内合成生物学发展的展望，这篇综述发表在Biotechnology Advances杂志上。

加州理工学院的华裔博士钱璐璐与Erik Winfree教授课题组研究人员今年6月在《Science》杂志上发表研究论文称他们利用一种新型的DNA分子元件在试管中构造出迄今最大最复杂的人工生化电路。这种生化电路可以使研究人员探索生物系统处理信息的原理，以及设计具有决策能力的生化通路。这种电路将会赋予生化学家对应用于生物工程、化学工程以及生化工业中的分子反应前所未有的掌控能力。比如说在未来，一个设计合成的生化电路可以被放入临床血液样本中，检测各种分子的在样本中的水平，然后根据这些信息作出病理学的诊断。

紧接着在7月，这一课题组再次在试管中用DNA构造出了人工神经网络，这一人工神经网络可以像大脑一样根据不完整的信息回想起相关的记忆。这标志科研人员在通往人工智能的道路上迈出了重要的一步。这一研究成果公布在Nature杂志上。研究人员表示这种具有人工智能的生化系统，或者至少是具有某些基本的决策能力的生化系统，可以在医药，化学以及生物领域带来不可估量的应用。在将来，这样的系统也许可以在细胞内工作，帮助回答根本的生物问题或者诊断疾病。如果一个生化过程能够对其他分子的存在做出智能响应，它将会允许工程师们一步一个分子的制造出日益复杂的化学物质，或者搭建出新的分子结构。并且在科技应用之外，对这些系统的设计也可以带给思维的进化过程以间接的认识。

另外，近日耶鲁大学的研究人员成功对细菌中的蛋白质合成机制进行了遗传学改造。这一研究成果发表在《科学》（Science)杂志上。

该论文的作者，细胞及分子生理学系的杰斯•莱因哈特（Jesse Rinehart）介绍说：“从本质上来说，我们已经扩展了大肠杆菌的遗传密码，这让我们能够合成以特殊形式，例如模拟天然状态或者疾病状态的蛋白质。”

耶鲁研究小组的理念是, 通过修改遗传密码，用新的方式影响蛋白质的行为，使之能实现大多数的生命功能。他们并没有创造自然界不存在的东西，而是诱发了磷酸化作用（phosphorylation）。磷酸化作用是生命体中最常见的基本生理过程，它能显著改变蛋白的功能。通常，蛋白的磷酸化作用并不直接由DNA编码指导合成，而是在蛋白质合成之后才开始，而这正是耶鲁的研究人员们想要改写的：他们希望把磷酸化过程添加到大肠杆菌的遗传密码中，通过DNA第一时间就能指导蛋白磷酸化。

过去，科学家们缺乏研究磷酸化状态蛋白的能力，致使对某些疾病的研究停滞不前，例如蛋白活性极高的癌症。而这项新技术实现了人类蛋白质的天然磷酸化体系，这对于理解疾病的发展至关重要。莱因哈特解释说：“我们现在做的就是运用蛋白开关——把蛋白机制打开或关闭，这让我们能以全新的方式研究疾病状态，并有望引导新药的研发。”

莱因哈特他们现在打算创建与癌症、糖尿病以及高血压相关的磷酸化蛋白质，不过他们强调说，这种技术能够实现处理任何种类的蛋白质。

（生物通：何嫱）