阿茹娜 鄭婉穎 俞如旺

(福建師范大學生命科學學院 福州 350117)

1 合成生物學及其主要研究內(nèi)容

合成生物學是一門通過合成生物功能元件、裝置、系統(tǒng)，對生命體進行有目標的遺傳學設(shè)計、改造，使細胞和生物體產(chǎn)生特定生物功能，乃至合成“人造生命”的學科。合成生物學是一門交叉學科，會聚了化學工程、電氣工程、計算機科學和機械工程等，涉及生物物理學、生物化學、醫(yī)藥學、生物醫(yī)學工程和分子細胞生物學等多種學科[1]。

合成生物學研究一方面可以深化人類對于生命機制的認識，為正確理解生物系統(tǒng)及生命演化的奧秘提供必要補充，指導(dǎo)人類深入驗證、理解生物現(xiàn)象以及更好地運用源于自然的技術(shù)，使生物學從“觀測、發(fā)現(xiàn)”走向“建物、創(chuàng)造”；另一方面，合成生物學開辟了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，加速了合成生物系統(tǒng)的工程化進程，為醫(yī)藥創(chuàng)新、疾病診斷、資源開發(fā)、生態(tài)保護和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面開拓新的思路。

1.1 元件工程 依照工程學理念，合成生物學將生命系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、功能最簡單的單元統(tǒng)稱為生物元件[1]，其生物學本質(zhì)是具有特定功能的DNA序列、RNA序列、氨基酸序列或蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域。元件工程的中心目標包括：①對現(xiàn)有生物元件的結(jié)構(gòu)進行改造以獲得目標功能；②開發(fā)自然界中本不存在的新型元件。常見的元件按照功能可以劃分為非催化元件和催化元件兩類。非催化元件有啟動子、終止子、轉(zhuǎn)錄單元、質(zhì)粒骨架、核糖體結(jié)合位點等；催化元件則是經(jīng)過定向改造或重新設(shè)計合成的酶類。例如，核糖體結(jié)合蛋白本是一種缺乏酶活性的感受蛋白，研究人員運用復(fù)合胺替代原本的自然配體，可使其轉(zhuǎn)化為具有一定催化功能的活性蛋白。

2003年，美國麻省理工學院合成生物學實驗室成立了標準生物元件登記庫，收集符合標準化條件的生物元件，截至目前已有超過兩萬個生物元件登記在庫[2]。元件庫的建立與擴充是合成生物學發(fā)展的重要標志。

1.2 遺傳線路工程 遺傳線路，即基因線路，是由調(diào)節(jié)元件和被調(diào)節(jié)的基因構(gòu)成的生物裝置，它在特定條件下可調(diào)控基因產(chǎn)物的表達。人工基因線路通過遺傳線路工程合成，主要有兩大類： 一類是基本型人工基因線路，另一類是組合型人工基因線路。

基本型人工基因線路主要是借鑒邏輯電路的設(shè)計規(guī)則研究基因線路的邏輯關(guān)系與調(diào)控方法，構(gòu)建生物控制器件，如基因表達調(diào)控開關(guān)、生物振蕩器、邏輯信號門、信號過濾器等。這些基本型人工基因線路可以轉(zhuǎn)移至細菌、病毒或人體細胞等生物中進行定向改造，從而用于疾病的診療等。組合型人工基因線路是以基本型人工基因線路為基礎(chǔ)器件搭建的復(fù)雜遺傳裝置，可用于模擬高級的生命過程。2014年，歐陽頎等編程出一種人工基因線路，能夠在大腸桿菌中執(zhí)行類似巴甫洛夫式條件反射行為，重現(xiàn)高等生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習功能[3]。

1.3 基因組工程 隨著基因組測序、DNA合成技術(shù)以及基因編輯技術(shù)的逐步成熟，將基因組從頭合成與重設(shè)計的基因組工程應(yīng)運而生。基因組拼裝、轉(zhuǎn)移技術(shù)是合成生物學領(lǐng)域的核心技術(shù)體系，其革新與完善將有效推動合成生物學的發(fā)展?；蚪M的設(shè)計與構(gòu)建不僅是探索基因功能的研究手段，而且可創(chuàng)建用于疾病治療、藥物生產(chǎn)的新生命體。自世界首個由化學合成基因組控制的原核生物支原體——Synthia誕生以來，科學家在人工構(gòu)建細胞器染色體、酵母染色體臂等基因組重新合成領(lǐng)域不斷取得新的突破。自2011年起，多個國家的研究人員聯(lián)合展開第一個真核生物基因組合成計劃——合成酵母基因組計劃(Sc2.0)。2018年，覃重軍團隊利用CRISPR-Cas等基因編輯技術(shù)成功實現(xiàn)了單染色體啤酒酵母細胞——SY14的人工創(chuàng)建，是合成生物學基因組工程與細胞工程方面的里程碑式進展。SY14的成功構(gòu)建打破了教材中原核生物與真核生物的界限，并為端粒功能及細胞衰老的研究提供優(yōu)良模型。

1.4 代謝網(wǎng)絡(luò)工程 相比于傳統(tǒng)代謝工程，合成代謝工程強調(diào)構(gòu)建“自然界中不存在的生化系統(tǒng)”，利用標準化、模塊化的基因、酶等生物元件，重新構(gòu)建菌株代謝網(wǎng)絡(luò)，高效地合成符合人類需求的代謝產(chǎn)物。通過對大規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)的計算分析，可設(shè)計出特定生物產(chǎn)品的最優(yōu)合成途徑，有效協(xié)助研究人員找到適當?shù)拇x工程改造策略，提升改造過程的精確性[4]。如今，代謝網(wǎng)絡(luò)工程已能夠基于異源宿主的代謝信息，整合已知或預(yù)測的外源酶功能特性，改變或合成感興趣的代謝途徑。例如，改變大腸桿菌的氨基酸合成代謝途徑，生產(chǎn)生物柴油、汽油、異丁醇[1]；基于酵母菌底盤，制造抗瘧藥物青蒿素前體物質(zhì)青蒿酸。2015年，Galanie團隊完成了目前微生物中最長的植物天然化合物代謝途徑，在面包酵母中實現(xiàn)阿片類藥物全合成[5]。

1.5 21世紀以來合成生物學領(lǐng)域的重大突破 1979年，美國化學家Har Gobind Khorana合成了207個堿基對的DNA序列，合成生物學從此開啟[6]。進入21世紀后，合成生物學取得諸多突破。代表性進展如圖1。

圖1 21世紀以來合成生物學研究的代表性進展

2 合成生物學的應(yīng)用研究

2.1 疾病診療 現(xiàn)今，腫瘤、糖尿病等仍是導(dǎo)致高死亡率的疾病。應(yīng)用合成生物學，為這些疑難雜癥的治療提供新的思路和解決方案。

2.1.1 糖尿病的治療 利用生物傳感體系人工合成基因環(huán)路是近年來糖尿病治療的主要研究方向。主要有2種光調(diào)控環(huán)路： ①光調(diào)控基因環(huán)路： 將含有光調(diào)控系統(tǒng)的工程化細胞移植至患病小鼠體內(nèi)，此工程化細胞基因環(huán)路由光感受器視黑素與效應(yīng)器兩部分構(gòu)成。視黑素為一類G蛋白偶聯(lián)受體，效應(yīng)器則由響應(yīng)活化T細胞核因子的啟動子(PNFAT)及胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)基因構(gòu)成。在藍光刺激下，視黑素構(gòu)象改變，GLP-1基因表達啟動，刺激胰島β細胞增殖分化，從而促進胰島素合成并分泌，起到降血糖的效果。病患只需照射藍光就能得到降血糖的治療結(jié)果，減輕其治療過程中的痛苦。且與化學誘導(dǎo)物比較，藍光具有誘導(dǎo)速度快、毒性低等特點，能夠克服吃藥、打針等傳統(tǒng)治療方法的局限性[7]。②微波調(diào)控基因環(huán)路： 該體系所利用的感知元件是一種熱敏感型離子通道蛋白(TRPV1)。在低頻微波輻射作用下，與之結(jié)合的鐵蛋白聚合物可發(fā)生磁熱效應(yīng)釋放熱能，使細胞局部溫度升高，激活TRPV1離子通道，使鈣離子內(nèi)流而激活NFAT信號通路，從而啟動基因環(huán)路中胰島素原的表達，調(diào)節(jié)血糖穩(wěn)態(tài)[8]。

2.1.2 腫瘤的診療 經(jīng)過人工基因線路改造而成的人工細胞、人工細菌以及人工病毒，具有計算、感知、記憶、響應(yīng)等功能，當人工生命體感知腫瘤或病灶區(qū)域的特異信號，就會輸出報告分子或釋放治療藥物，從而實現(xiàn)對癌癥病人生理狀態(tài)的監(jiān)測、診斷以及治療。

合成生物學將群體感應(yīng)、生物計數(shù)器和自殺開關(guān)等人工基因線路的設(shè)計編寫入細菌中，提升腫瘤細菌療法的安全性和有效性。M. Omar Din等利用群體感應(yīng)的基因線路設(shè)計工程化裂解菌，腫瘤環(huán)境內(nèi)生長的工程細菌數(shù)量達到一定濃度閾值后自動裂解，并釋放出抗腫瘤藥物。由于體內(nèi)始終維持較低的細菌數(shù)量，從而可以降低其對周圍組織的毒副作用[9]。與人工細菌作用原理相似，人工改造的溶瘤病毒在腫瘤細胞中特異性復(fù)制并殺傷腫瘤細胞，但不傷害健康組織，同時還會克服腫瘤免疫抑制，促進機體免疫修復(fù)。

除了對細菌與病毒進行改造，設(shè)計改造后的人類自身細胞運用于腫瘤診療也取得新的進展。嵌合抗原受體T(chimeric antigen receptor T， CAR-T)細胞免疫療法就是利用人工合成的嵌合抗原受體工程化改造T細胞?？乖荏w經(jīng)重新設(shè)計后具備更廣泛的腫瘤抗原識別能力，人工設(shè)計的T細胞在體外擴增培養(yǎng)后輸入患者體內(nèi)，能夠特異性殺傷腫瘤細胞，增強免疫反應(yīng)，實現(xiàn)靶向治療。

2.2 環(huán)境修復(fù) 科技、經(jīng)濟、文化迅猛發(fā)展的同時，生態(tài)環(huán)境問題成為21世紀無法忽視的挑戰(zhàn)。新興污染物堆砌的垃圾山、溫室效應(yīng)氣體的排放以及化石能源耗竭等使生態(tài)系統(tǒng)自然修復(fù)難以實現(xiàn)。

利用生物合成技術(shù)開發(fā)新型生物能源是解決能源危機的重要途徑。工程化大腸桿菌的非發(fā)酵代謝途徑生物合成的1-丁醇燃料接近汽油的能量密度，且不易揮發(fā)；氫氣是未來最有前景的綠色清潔能源，多酶分子機器技術(shù)將多種酶進行適配，利用生物質(zhì)原料，能夠從1個葡萄糖單元中獲得12個氫氣分子。該技術(shù)生產(chǎn)氫氣具有易存儲、安全性高且不產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體的優(yōu)勢。

新興污染物種類繁多，包括抗生素、洗滌劑、阻燃劑以及部分農(nóng)藥等。現(xiàn)有微生物降解菌難以應(yīng)對層出不窮的新興污染物。分析現(xiàn)有降解菌代謝通路信息的幾種催化元件，利用合成生物學技術(shù)定向設(shè)計、改造并組合降解元件、抗逆元件、趨化元件等，構(gòu)建能夠降解一種或多種污染物、具有全新代謝網(wǎng)絡(luò)的工程菌，建立智能高效降解微生態(tài)系統(tǒng)可有效實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與修復(fù)[10]。

3 合成生物學研究面臨的挑戰(zhàn)

合成生物學在蓬勃發(fā)展的21世紀顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢铣缮飳W給人類社會、自然生態(tài)可能帶來的風險也不容忽視： ①合成生物的進化具有不確定性，這是因為人工導(dǎo)入外源片段的細胞具有非自然存在的嶄新功能，其遺傳信息可能發(fā)生難以預(yù)估的變化，在自然選擇中展現(xiàn)優(yōu)勢而無限增殖，或許會促使“超級細菌”的誕生，其結(jié)果必然會對其他生物甚至人類的生存帶來威脅；②人造生命與自然界現(xiàn)存的其他物質(zhì)之間的相互作用難以預(yù)估，可能出現(xiàn)意料之外的副效應(yīng)，或是合成的基因傳入其他自然物種中，使自然界基因庫遭受污染，引起基因變化，造成環(huán)境災(zāi)難；③合成生物學研究若得不到有效管理，有可能被“錯用”為生物武器，可以嚴重危害人類安全。2004年，美國科研人員人工合成了“西班牙流感病毒”，該病毒曾在1918年致使全世界上千萬人死亡，雖然其研究者稱合成“西班牙流感病毒”有利于深入理解致命病毒機制，但是萬一該病毒從實驗室擴散出去，其可能的危害絕對不容低估。因此，加強合成生物學研究的管理至關(guān)重要。人為設(shè)計生命意味著將“人”置于造物主的地位，將人的意志和文化嵌入生命的進化中是對傳統(tǒng)生命倫理的挑戰(zhàn)。合成生物學的發(fā)展不得不引發(fā)人們對生命意義的反思。