淺談合成生物學(xué)的應(yīng)用

　　1.前言

　　合成生物學(xué)無疑會推動生物燃料、特種化學(xué)品、農(nóng)業(yè)和藥物等方面的進步。目前，科學(xué)家們已經(jīng)不局限于非常辛苦地進行基因剪接，而是開始構(gòu)建遺傳密碼，以期利用合成的遺傳因子構(gòu)建新的生物體。合成生物學(xué)在未來幾年有望取得迅速進展。據(jù)估計，合成生物學(xué)在很多領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O好的應(yīng)用前景，這些領(lǐng)域包括更有效的疫苗的生產(chǎn)、新藥和改進的藥物、以生物學(xué)為基礎(chǔ)的制造、利用可再生能源生產(chǎn)可持續(xù)能源、環(huán)境污染的生物治理、可以檢測有毒化學(xué)物質(zhì)的生物傳感器。合成生物學(xué)是近年來新興的一門學(xué)科，與傳統(tǒng)生物學(xué)通過解剖生命體以研究其內(nèi)在構(gòu)造不同，合成生物學(xué)從最基本的生命要素開始研究，目的是建立人工生物體系。換句話說，這門學(xué)科是設(shè)計自然界中原本不存在的生物或?qū)ΜF(xiàn)有生物進行改造。

　　2.合成生物學(xué)

　　合成生物學(xué)主要研究4個方面的內(nèi)容：細胞是由蛋白質(zhì)、核酸與其他分子組成的一個網(wǎng)絡(luò)，合成生物學(xué)首先要研究的是細胞網(wǎng)絡(luò)；二是研究基因線路�！盎�因線路”（genecircuit）又稱遺傳線路圖是指在合成生物學(xué)中，由各種調(diào)節(jié)元件和被調(diào)節(jié)的基因組合成的遺傳裝置（geneticdevice），可以在給定條件下可調(diào)、可定時定量地表達基因產(chǎn)物。利用轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平等的控制機制，合理組合轉(zhuǎn)錄基元、基礎(chǔ)基因線路、基因模塊的拓撲結(jié)構(gòu)，目前遺傳線路的功能主要可以分為兩大類：邏輯基因線路（模擬各種邏輯關(guān)系和數(shù)字元件的遺傳線路）和其他功能基因線路（具有特定生物功能的遺傳線路）；三是合成生物材料與物質(zhì)；四是最小基因組與合成生物。在《最小基因組與生命起源》吳家睿的一篇文章中寫到：“生殖道支原體是一種寄生細菌，它的基因組是目前已測定的物種基因組中最小的一個，僅有468個基因�？茖W(xué)家將它的基因組與另外一種細菌流感嗜血桿菌的基因組序列進行了詳細的比較，發(fā)現(xiàn)有240個生殖道支原體基因與流感嗜血桿菌基因存在垂直同源性，因此認(rèn)為最小基因組需要大約250個基因。

　　3.合成生物在基因方面的應(yīng)用

　　合成生物學(xué)技術(shù)包括DNA的合成，來自細菌、酵母及植物等多種基因及代謝途徑的組裝，多基因的精密調(diào)控等。利用合成生物學(xué)技術(shù)可以合成非天然的氨基酸和堿基，如2003年，Schultz小組在大腸桿菌的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)中引入新的化學(xué)成分，從而成功地合成包含非天然氨基酸的蛋白質(zhì)；2006年，Benner小組通過引入新的堿基對，成功發(fā)展了人工生命遺傳系統(tǒng)。

　　4.能源領(lǐng)域的應(yīng)用

　　利用合成生物學(xué)技術(shù)還可以合成能源物質(zhì)——氫和石油。PLOSONE2007年發(fā)表了美國VirginiaTech生物系統(tǒng)工程系教授Y-PZhang等人的論文。他們利用合成生物學(xué)原理，用13個已知的酶來完成一個重要反應(yīng)，這13個酶形成了一條非天然酶催化途徑。隨著技術(shù)發(fā)展及與燃料電池的集成，該技術(shù)有望解決與氫氣的儲存、銷售有關(guān)的難題，因而在汽車中的應(yīng)用具有巨大潛力。美國LS9可再生石油公司的研究人員正利用來自多種生物（包括細菌、植物、動物等）的基因及用來生產(chǎn)脂肪酸的生化途徑，用合成生物學(xué)方法創(chuàng)造出一些代謝模塊，插入微生物后，通過不同的組合，這些模塊可以誘導(dǎo)微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品。

　　5.合成生物在我國的應(yīng)用

　　上海在近期也成立了合成生物學(xué)實驗室，該實驗室的前身是分子微生物學(xué)開放實驗室，該實驗室已在鉤端螺旋體的基因組學(xué)研究、SARS冠狀病毒的進化基因組、線型質(zhì)粒的功能及發(fā)展特殊遺傳操作體系、放線菌代謝途徑及其調(diào)控機理的解析、丙酮丁醇梭菌的選育和遺傳改造及應(yīng)用、酶的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究和改造與工業(yè)化應(yīng)用等方面取得了一系列突出成果。目前實驗室的研究方向包括生物質(zhì)合成的分子設(shè)計、能源植物改造、能源和醫(yī)藥化工產(chǎn)品的高效生物合成，近期將重點開展能源生物和生產(chǎn)重要次生代謝物“超級鏈霉菌”的設(shè)計與構(gòu)建的研究。

　　6.小結(jié)

　　隨著用于進行合成生物學(xué)研究的各項技術(shù)，如遺傳工程技術(shù)、微生物工程技術(shù)、計算機技術(shù)和合成基因組學(xué)技術(shù)的日趨成熟，合成生物學(xué)的研究將取得更大的進步，并在解決人類能源、環(huán)境、醫(yī)療、藥物生產(chǎn)等問題上發(fā)揮更大的作用。應(yīng)該鼓勵和規(guī)范合成生物學(xué)方面應(yīng)發(fā)揮的作用。