近10年來，合成生物學(xué)的發(fā)展受到廣泛關(guān)注。為了集中報道本領(lǐng)域的最新研究進展，特組織出版了此合成生物學(xué)�？�。本�？�3個欄目：科學(xué)意義、新技術(shù)新方法和應(yīng)用領(lǐng)域，重點介紹了合成生物學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵、技術(shù)方法進步及合成生物學(xué)在醫(yī)學(xué)、藥物、農(nóng)業(yè)、材料、環(huán)境和能源等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞: 合成生物學(xué)，基因組合成，生物制造，基因編輯
合成生物學(xué)是一個新興的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。她的形成有一系列標(biāo)志性事件。
在合成基因組方面，2002年，人類首次合成病毒[1]；2010年，第1個合成基因組的原核生物 (支原體) 問世[2]；2014年，第1條合成酵母染色體在酵母細胞呈現(xiàn)正常功能[3]，繼而，2017年3月，Science以封面故事“逐段重塑酵母基因組” (Remodeling yeast genome piece by piece)報道了合成酵母基因組計劃 (Sc 2.0) 中另外5條染色體的合成[4]，其中4條以中國學(xué)者元英進團隊、楊煥明團隊和戴俊彪團隊為主完成。目前，酵母細胞中全部16條染色體的設(shè)計與合成大約完成了1/3�？梢云诖�，首個合成染色體的真核生物不久將問世。更令人震撼的是，2016年，美國學(xué)者開始積極策劃極具爭議的人染色體的合成[5]。
科學(xué)家很早就提出最小細胞 (Minimal cell) 假說，即1個生物體內(nèi)可能含有必需基因 (Essential genes) 和非必需基因，去掉非必需基因以后，該生物體應(yīng)仍能存活和繁殖。研究最小細胞或最小基因組有助于了解基因的功能和理解生命起源，但實驗極為困難，“簡約化的復(fù)雜性”(Complexity of simplicity)[6]使許多專家望而卻步。經(jīng)過基因組規(guī)模的基因突變和基因敲除，Gregory A Buck實驗室初步確定了血鏈球菌的必需基因集[7]；Craig Venter實驗室從絲狀支原體的901個基因中鑒定出428個非必需基因，然后合成了僅僅含473個基因的簡約版基因組，從而獲得最小合成細胞，盡管其中189個基因的功能仍然未知[8]。最小細胞或基因組的研究，不僅有重要的科學(xué)意義，還可以以最小基因組為底盤 (Chassis)，加入新的基因，讓細胞制造人類所需要的物質(zhì)，具有重要的實際意義。
盡管細胞底盤尚未被實際應(yīng)用，但通過基因網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和細胞工廠改造，科學(xué)家成功地在微生物中合成了抗瘧疾藥物青蒿素 (酸)[9]、麻醉劑阿片[10]和抗生素林可霉素[11]等珍貴藥物，是合成生物學(xué)和代謝工程的成功范例。
合成生物學(xué)的研究進展，在學(xué)術(shù)界和公眾中產(chǎn)生了廣泛影響。通過百度搜索 (2017年3月14日)，結(jié)果為，“合成生物學(xué)”有1 730 000個，“Synthetic Biology”有3 550 000個。英文搜索結(jié)果與基因編輯的CRISPR技術(shù)搜索結(jié)果相當(dāng) (3 090 000個)。合成生物學(xué)被多個知名科學(xué)媒體和智庫列為“將改變世界的科技之一”。對此，筆者持樂觀態(tài)度，理由如下。
合成生物學(xué)首先是科學(xué)。有人甚至將之稱為“第3次生命科學(xué)革命”。我解讀為，在現(xiàn)代生命科學(xué)中，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)使生命科學(xué)研究進入到分子遺傳學(xué)和分子生物學(xué)時代，應(yīng)算第1次；人類基因組測序成功，使我們能夠大規(guī)模地“讀取”遺傳信息，并引領(lǐng)生命科學(xué)研究進入組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)時代，可以算第2次；而合成生物學(xué)是在系統(tǒng)生物學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程學(xué)理念，采用基因合成、編輯、網(wǎng)絡(luò)調(diào)控等新技術(shù)，來“書寫”新的生命體，或者改變已有的生命體，這將使對生命本質(zhì)的認識水平獲得極大提升，其科學(xué)意義顯而易見。
合成生物學(xué)又具有生物制造的屬性。生物制造經(jīng)歷了兩次革命。第1次發(fā)生在20世紀(jì)50−60年代，通過大規(guī)模發(fā)酵，使抗生素、氨基酸、維生素等藥品、食品和營養(yǎng)品實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，我們今天稱之為傳統(tǒng)生物技術(shù)。第2次發(fā)生在20世紀(jì)80年代，分子遺傳學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致產(chǎn)生了基因操作技術(shù)，通過基因克隆、表達、修飾或轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了各種高附加值的生物制品生產(chǎn)，“一個基因，一個產(chǎn)業(yè)”，發(fā)展成今天的生物技術(shù)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。合成生物學(xué)則是利用系統(tǒng)生物學(xué)知識，借助工程科學(xué)概念，從基因組合成、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑，到細胞的人工設(shè)計與合成，完成單基因操作難以實現(xiàn)的任務(wù)，將極大地提升基因生物技術(shù)的能力并拓展其應(yīng)用范圍。因此有理由認為，合成生物學(xué)正在催生第3代生物技術(shù)。
鑒于此，《生物工程學(xué)報》編輯部決定第二次出版合成生物學(xué)專刊。本�？�3個欄目，共18篇，分別闡述了合成生物學(xué)的科學(xué)意義、技術(shù)方法進步和應(yīng)用前景。
在科學(xué)意義方面，劉陳立、傅雄飛團隊(中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院)從“格物致知”到“建物致知”，探討了生物基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控、單細胞和多細胞乃至生態(tài)過程機理，闡述了合成生物學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵。江會鋒團隊(中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所)討論了新基因的自然起源進化和人工設(shè)計，以實現(xiàn)各種自然界生物尚無法催化的生物化學(xué)反應(yīng)。
有7篇涉及技術(shù)方法發(fā)展。任何新一代技術(shù)，其特質(zhì)必須是創(chuàng)新性的，甚至是顛覆性的。基因組合成和基因編輯是合成生物學(xué)的核心技術(shù)，涉及到長片段的合成、拼裝、糾錯，其中有許多待解決的工程學(xué)和科學(xué)問題。戴俊彪團隊(清華大學(xué))結(jié)合作者合成酵母染色體Sc 2.0的親身實踐，系統(tǒng)討論了基因組的設(shè)計與合成，將其上升到藝術(shù)。王金團隊(中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所)論述了DNA合成與組裝，并系統(tǒng)地介紹了基于CRISPR的基因組編輯；李寅團隊(中國科學(xué)院微生物研究所)專門介紹了新一代基因組編輯系統(tǒng)CRISPR/Cpf1；汪小我團隊（清華大學(xué)）重點分析了合成基因線路規(guī)�；O(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，并提出解決思路；魏平團隊(北京大學(xué))介紹了天然信號網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)功能、合成生物學(xué)對信號網(wǎng)絡(luò)的改進設(shè)計及其未來應(yīng)用；婁春波團隊(中國科學(xué)院微生物研究所)預(yù)測了細胞生理學(xué)效應(yīng)對插入元件的影響，提出人工基因元件的合成生理學(xué)；李峰(中國科學(xué)院武漢病毒研究所)和筆者(中國科學(xué)院生物物理研究所)及合作者介紹了如何利用生物大分子自組裝的天然屬性來合成多維生物納米功能結(jié)構(gòu)和生物器件。
接下來是合成生物學(xué)的應(yīng)用。亓磊、趙德華團隊(斯坦福大學(xué))論述了基因組工程特別是CRISPR基因編輯技術(shù)在醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)中的應(yīng)用；葉海峰團隊(華東師范大學(xué))則提出建立哺乳動物合成生物學(xué)體系，進而使合成生物學(xué)走向臨床；在藥物研究領(lǐng)域的應(yīng)用方面，作者們分別討論了基于合成基因線路的智能藥物 (清華大學(xué)謝震團隊)、無細胞蛋白合成體系實現(xiàn)胰島素原可溶性表達 (武漢大學(xué)藥學(xué)院劉天罡、武漢大學(xué)中南醫(yī)院徐焱成團隊)、基于合成生物學(xué)的藥用植物活性代謝物研究——雄心勃勃的“新本草計劃” (中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所王勇團隊)。最后討論了合成生物學(xué)在農(nóng)業(yè) (光合作用) (中國科學(xué)院植物研究所彭連偉、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所錢萬強團隊)、材料科學(xué) (上�？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鐘超團隊)、環(huán)境修復(fù) (上海交通大學(xué)唐鴻志團隊) 和新能源 (微生物電學(xué)轉(zhuǎn)換) (天津大學(xué)宋浩團隊) 等領(lǐng)域的應(yīng)用。這些內(nèi)容概括了合成生物學(xué)的主要應(yīng)用范圍，大多是可以預(yù)期的。
本專刊即將付印出版，我想補充3點感受。
過去幾年，合成生物學(xué)的基本原理和概念以及倫理問題已經(jīng)有了廣泛介紹，本�？辉僮鲋貜�(fù)討論，而是重點介紹新近研究進展。然而，即便如此，合成生物學(xué)發(fā)展速度之快，令撰稿人多次易稿。例如，近日，Science刊出了Sc 2.0計劃中中國學(xué)者的重大進展，振奮與鼓舞之余，本�？队∏埃覀儾坏貌徽埓骺”胂壬滤撠�(zé)執(zhí)筆的相關(guān)內(nèi)容。
在我國，合成生物學(xué)研究經(jīng)歷了近10年的發(fā)展，在組織撰寫這期�？瘯r，我腦海里常常浮現(xiàn)一些相關(guān)的人與事：楊勝利、歐陽平凱、曹竹安等先生在專家組層面為國家973計劃合成生物學(xué)專題作出了重要貢獻。趙國屏先生代表中國參與組織中美英三國六院 (科學(xué)院和工程院) 合成生物學(xué)系列會議，使我國合成生物學(xué)研究開局就“與鷹共翔”。楊煥明先生很早就向我講述最小基因組的故事，并親歷實踐。馬延和先生領(lǐng)銜承擔(dān)的“細胞工廠”研究，為973計劃合成生物學(xué)專題的設(shè)立提供了寶貴的經(jīng)驗。陳國強先生在蘇州冷泉港合成生物學(xué)亞洲系列會議組織中發(fā)揮了領(lǐng)導(dǎo)作用。元英進先生多次向我們敘述了合成酵母染色體過程中的艱難，如今終獲成功，實現(xiàn)跨越。鄧子新先生在上海掛帥成立了合成生物學(xué)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，豎起一面重要的旗幟。林章凜先生和馮雁女士不僅主持承擔(dān)了973項目，還為我國合成生物學(xué)的發(fā)展?jié)M腔熱忱地獻言獻策。歐陽頎先生不僅在堅持理性搭建生物模塊、自下而上構(gòu)建生物體系方面作出了基礎(chǔ)性貢獻，而且還對國內(nèi)合成生物學(xué)研究現(xiàn)狀有犀利評價，令人印象深刻。中國多所大學(xué)的學(xué)生連年參加iGEM比賽，表現(xiàn)上佳，令人鼓舞。特別還要提到前駐英國大使館科技公參陳富韜先生，他多年前介紹我拜訪英國皇家工程院，與英國《合成生物學(xué)》報告[12-13]起草負責(zé)人交流，這促使我們構(gòu)思啟動中國合成生物學(xué)專題研究，并得到973計劃專家顧問組組長周光召先生和徐冠華先生的支持。過去兩年，諸位專家又在為國家“十三五”合成生物學(xué)相關(guān)專項計劃的設(shè)立貢獻智慧和精力，且鍥而不舍。
然而，組織本�？瘯r，我們將約稿目標(biāo)轉(zhuǎn)向活躍在一線的朝氣蓬勃的青年專家。感謝劉陳立先生，他熱情地向我推薦了合成生物學(xué)“兄弟會”——一批杰出的青年學(xué)者，他們各持專長，并大都有令年輕人羨慕的頭銜 (“青千”、“優(yōu)青”或“百人”等)。在與他們共處、合作完成這本�？倪^程中，感受到他們高品質(zhì)的專業(yè)素養(yǎng)和不懈的探索精神，這使我看到中國合成生物學(xué)光明的未來。
責(zé)編：科普知識網(wǎng)