《Nature》专题 展望第四次科技浪潮之星

　　

生物通报道，21世纪，生物科学技术的发展可视为第四次科学浪潮，其中，最闪耀的新兴科学莫过于“合成生物学”，科学的发展都遵循着一个亘古不变的规律，从数据累计到科学发现，再到理论形成，最后到应用，“合成生物”是生物科学发展过程中的最后一步。近期，《Nature》和《Cell》都发表了未来10年对“合成生物学”的展望看法，《Nature》更是收录了几篇合成生物学大作，并推出了专题（Web Focus）Synthetic systems biology。

 

随着人们对生命发育、运作程序的逐步探索，生命运作的每个细节都被揭露，整合分子工程学和计算机生物学技术，生物学家将获得一种新的技术，优化合成生物的技术。一个最明显的应用就是，在药物设计和给药途径的设计上人类将变得越来越有创新性。比如说，口服疫苗、个性化的干细胞治疗药物、工程菌株。这些合成的生物药可能更容易接近肿瘤组织，有选择性地杀死癌细胞。

 

合成生物学除了在医疗体系被应用外，食品、生物燃料方面也可能得到广泛的应用。比如说，一些可以抵抗寄生虫害的作物品质，一些制造生物燃料的作物品种皆有可能产生。由于合成生物技术的成本下降，这些技术还可能被应用在交叉科学上，比如，与纳米技术联合，设计具有记忆性的纳米装置，像高等生命一般执行一些任务。

 

它是继系统生物学后又一次科学思维的大革命(或大科学)；从分析趋向综合，从局部走向整体，从分散趋向系统，从原位改造和优化上升至模型设计和模块制造，对整个生命过程进行重新设计、改造和合成，创造出新的“细菌”，新的“细胞”，新的蛋白酶体系，形成新的“生命”系统，以应对人类社会发展所面临的严峻挑战，对促进人类社会和经济发展具有极其重大和深远战略意义，受到全世界广泛的关注和重视，并已取得了飞速发展。现在人工化学合成、组装的细菌基因组和具有生存能力的人工细菌和病毒已经问世，人工细胞也已诞生。

 

“合成生物学”最新进展2则

生物燃料工厂

合成生物学领军人物之一Jay Keasling（曾成功地改造大肠杆菌将其变成生成抗疟疾药物的工厂），加州大学教授，同时也是美国能源部三大生物能源研究中心之一联合生物能源研究所主席。再度改造大肠杆菌，将其变身为“生物燃料功工厂”。

 

在这次新的研究中，Jay Keasling及其同事通过基因工程方法对大肠杆菌进行改造，让它将单糖生成更复杂的生物燃料（可直接应用的生物燃料）——脂肪酯（fatty esters）、脂肪醇（fatty alcohol）和蜡（waxes）。他们进而又让大肠杆菌来分泌半纤维素酶，它是来自植物的生物质的一个主要成分，可以将纤维素转化为生物燃料。

 

生物振荡器

据科技日报报道，美国加州大学圣迭戈分校的杰夫·海斯第及其同事在最近出版的《自然》杂志上发表研究报告指出，他们通过合并群体效应制成了新型细菌振荡器。不过，该振动器不是典型的时钟，它既没有石英机芯，也没有旋转的秒针，它的“心脏”是一群经基因工程改造的菌群。  

 

群体效应是一种分子通信形式，许多细菌利用群体效应来协调它们的活动。振荡器则是生物学世界的一个主要组成部分，可用于定义心跳、脑波及日夜节律的周期。它们还可提供一个重要的电子电路控制机制。

 

生物学家最先着手设计生物振荡器是在10年前，他们建立了一个名为“压制振荡子”的电路。带有基因开关的遗传振荡子在2000年的诞生，被认为是合成生物学的开端。然而，早期的振荡器精度不高，节奏下降很快，且频率和振幅也无法控制。

 

2008年，海斯第及其同事曾创造了一个更强大的振荡器，它可通过适于细菌生长的温度、细菌得到的养分及特殊的化学触发器进行调节。但是，这个振荡器仍受限于个别细胞，无法适时地一起闪烁。

 

而最新研制的振荡器包含一个双基因简单电路，由此建立起正、负反馈回路。该电路由一个信令分子激活，从而触发信令分子本身及绿色荧光蛋白分子越来越多地产生。该信令分子在细胞外扩散后即可激活周边细菌的电路。

 

被激活的电路还可产生一个能分解信令分子的蛋白，给循环提供延时制动。在单个和相邻细胞中的不同电路发生动态相互作用，即可建立起信号分子和荧光蛋白的定期脉冲，并以同步活动波的形式出现。这个看似简单的电路允许微生物与荧光灯的同步脉冲保持合拍，以50分钟到100分钟的节奏缓慢闪烁。瑞士联邦技术学院的生物工程学家马丁·富塞内格尔在论文评注中称，这个壮举类似于让全世界的交通灯步调一致地闪烁。

 

这些细菌菌落生长在定制的微流体芯片内，该设备使科学家得以精确控制微生物所处的环境条件。改变养分流入芯片的速率就可改变振荡的周期。

 

对生物医药和生物能源等许多应用来说，对群体细胞的活动进行同步是一个重要的基础条件。例如，细菌可被设计用来检测特定的毒素，荧光的闪烁频率即表示其在环境中的浓度。虽然目前尚需要显微镜才能读取输出结果，但研究人员表示，他们正在开发用裸眼即可观测的版本。

 

该细菌振荡器也可用于传递药物，其可按一定的时间间隔释放药物以达到最佳的效用。药物的剂量和振荡器的振幅相关，药物的投放时间则由其振荡频率决定。

 

 

Nature收录的近期研究文章，有兴趣的读者不要错过这个前沿专题。

A synchronized quorum of genetic clocks

Tal Danino, Octavio Mondragón-Palomino, Lev Tsimring & Jeff Hasty

 

Nature 463, 326–330 (21 January 2010) doi:10.1038/nature08753

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Synthetic biology: Synchronized bacterial clocks

Martin Fussenegger

Nature 463, 301–302 (21 January 2010) doi:10.1038/463301a

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Spatiotemporal control of cell signalling using a light-switchable protein interaction

Anselm Levskaya, Orion D. Weiner, Wendell A. Lim & Christopher A. Voigt

Nature 461, 997–1001 (15 October 2009) doi:10.1038/nature08446

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Programming cells by multiplex genome engineering and accelerated evolution

Harris H. Wang et al.

Nature 460, 894–898 (13 August 2009) doi:10.1038/nature08187

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A tunable synthetic mammalian oscillator

Marcel Tigges, Tatiana T. Marquez-Lago, Jörg Stelling & Martin Fussenegger

Nature 457, 309–312 (15 January 2009) doi:10.1038/nature07616

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Synthetic biology: The yin and yang of nature

Jeff Gore & Alexander van Oudenaarden

Nature 457, 271–272 (15 January 2009) doi:10.1038/457271a

（生物通 张欢）

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