于雪瑩，李春英，趙春建，楊 奕

（東北林業(yè)大學(xué)化學(xué)化工與資源利用學(xué)院，哈爾濱150040）

1 合成生物學(xué)時代背景

合成生物學(xué)是生物學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)和信息技術(shù)之間相互交叉的一個新興領(lǐng)域。核心技術(shù)是將復(fù)雜的生命系統(tǒng)拆分成各個功能原件，對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的定義，通過設(shè)計、模擬和實驗實現(xiàn)對生物原件的生物設(shè)置，直至構(gòu)建一個新的生物系統(tǒng)，包括生物燃料、生物修復(fù)、大宗化學(xué)品、醫(yī)藥等精細(xì)化學(xué)品生物材料的生產(chǎn)和應(yīng)用[1]。隨著合成生物學(xué)時代的到來，法國生物化學(xué)家?，敿~埃爾·沙爾龐捷（Emmanuelle Charpentier）和美國化學(xué)家珍妮弗·杜德納（Jennifer A.Doudna）發(fā)現(xiàn)了基因編輯技術(shù)中CRISPR /cas9 基因剪刀，獲得了諾貝爾化學(xué)獎，這種工具可以非常精準(zhǔn)地改變動物、植物和微生物的DNA，為植物育種帶來了新機(jī)遇，有望催生創(chuàng)新性癌癥療法[2]。

合成生物學(xué)已被中國科技部視為優(yōu)先領(lǐng)域，被列為國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，也列在中國科學(xué)院公布的《創(chuàng)新2050：科技技術(shù)與中國的未來》的報告中，是中國現(xiàn)代化關(guān)鍵戰(zhàn)略技術(shù)之一。由于石油等資源不斷被開采利用，利用合成生物學(xué)技術(shù)對纖維素、木質(zhì)素等植物再生資源開發(fā)生物燃料已經(jīng)成為必然趨勢。合成生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于大宗化學(xué)品的生產(chǎn)、手性化合物的合成、抗生素等制藥生產(chǎn)工藝流程、香蘭素和其它食品調(diào)味劑的合成、維生素的生產(chǎn)等領(lǐng)域。合成生物學(xué)時代背景下的可持續(xù)發(fā)展和綠色環(huán)境友好型生產(chǎn)工藝越來越多的應(yīng)用于植物資源的開發(fā)利用方面。

2 次生代謝產(chǎn)物生物合成和植物抗性改造

次生代謝產(chǎn)物萜類、生物堿、苯丙烷類衍生物這些的生物合成途徑的研究是開展合成生物學(xué)的基礎(chǔ)。例如，所有的萜類都來自于一個共同的前體異戊烯基二磷酸（isopentenyl diphosphate, IPP）。IPP 在IPP 異構(gòu)酶的作用下形成dimethylallyl diphosphate（DMAPP），IPP 和DMAPP 在異戊烯基轉(zhuǎn)移酶的作用下形成geranyl diphosphate（GPP）、farnesyl diphosphate（FPP）和geranylgeranyl diphosphate（GGPP），倍半萜合酶的起始底物為FPP，經(jīng)過最初的離子異構(gòu)化后環(huán)化形成各種陽離子中間產(chǎn)物，最終通過去質(zhì)子反應(yīng)或捕獲親核試劑，進(jìn)一步環(huán)化形成一系列的倍半萜，GGPP 環(huán)化產(chǎn)生二萜。三萜由鯊烯合成，四萜由植烯合成。例如，青蒿素的生物合成途徑是由MVA 途徑和MEP 途徑提供IPP，經(jīng)催化后形成FPP。經(jīng)過紫穗槐二烯合成酶、細(xì)胞色素P450 單氧化酶等生成青蒿醇、青蒿醛和青蒿酸，再經(jīng)過二氫青蒿醇、二氫青蒿醛和二氫青蒿酸的合成，最后在植物體內(nèi)合成了青蒿素。

在植物抗性改造方面，中國最成功的案例就是袁隆平團(tuán)隊在新疆喀什地區(qū)岳普湖縣巴依阿瓦提鄉(xiāng)pH酸堿度7.8 的重度鹽堿土地的海水稻試驗基地水稻再一次獲得豐收，2020年秋畝產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到300 公斤。目前中國有超過140 億畝的鹽堿地，合成生物學(xué)技術(shù)創(chuàng)新會為糧食的生產(chǎn)做出巨大貢獻(xiàn)。

3 植物資源的種植與鑒定

人工培植的植物資源是開發(fā)利用的基礎(chǔ)。栽培藥用植物時，野生類型與栽培類型之間存在較強(qiáng)的基因交流，應(yīng)用分子譜系地理學(xué)研究藥用植物的道地性遺傳基礎(chǔ)和栽培起源具有很好的廣闊前景。從樣本提取總DNA，進(jìn)行PCR 的擴(kuò)增和測序、引物篩選和設(shè)計，基于DNA 序列分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行居群分析和遺傳結(jié)構(gòu)分析，收集用不同分子標(biāo)記測定的多種植物cpDNA 多樣性，具有較高的遺傳多樣性的植物是由于其分布跨越了較寬的地理范圍和高度的遺傳分化。測定遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳分化等分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用解決了種質(zhì)資源的混在，造成品種并不純、異交衰退等問題，對植物的引種栽培方案的制訂和野外資源的保護(hù)具有指導(dǎo)意義[3，4]。

植物的分子鑒定是運(yùn)用DNA 分子標(biāo)記技術(shù)對植物基原進(jìn)行真?zhèn)蝺?yōu)劣的鑒定。與傳統(tǒng)的植物鑒別方法相比，合成生物時代的技術(shù)已經(jīng)從細(xì)胞和亞細(xì)胞水平向遺傳物質(zhì)DNA 分子水平發(fā)展，更加準(zhǔn)確的鑒別近緣品種、容易混淆的品種、珍稀品種等樣品的鑒定。DNA條形碼分析和植物端粒酶技術(shù)等新技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)變得越來越普及。通過對植物端粒長度的變化可以對植物的生長年限進(jìn)行鑒別[3，4]。

4 精細(xì)化學(xué)品的開發(fā)與利用

合成生物學(xué)利用工業(yè)水平上的生物催化技術(shù)生產(chǎn)純的單一化學(xué)物質(zhì)的精細(xì)化學(xué)品包括高果糖漿、阿斯巴甜和一些原料藥。例如維生素、半合成青霉素、抗瘧青蒿素、抗腫瘤成分紫杉醇等生產(chǎn)。酶催化已經(jīng)是普遍用于制備維生素和衛(wèi)生保健產(chǎn)品領(lǐng)域中的重要手性中間體。發(fā)酵、酶催化的合成催化、光學(xué)活性醫(yī)藥中間體的合成都已經(jīng)進(jìn)入商品化生產(chǎn)。例如，獲得諾貝爾科學(xué)獎項中國藥學(xué)家屠呦呦研究發(fā)現(xiàn)了青蒿素，解決了長期困擾的抗瘧治療失效難題。美國加州大學(xué)伯克利分校Keasling 團(tuán)隊2003年在大腸桿菌中合成青蒿酸的前體化合物青蒿二烯，阿米瑞斯生物合成技術(shù)公司在2013年利用酵母菌株實現(xiàn)青蒿素大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)[5]。生物合成的制造方式幫助建立精細(xì)化學(xué)品、工業(yè)基礎(chǔ)的酶與復(fù)雜醫(yī)藥體的合理工程化合成平臺。生物合成技術(shù)為代謝工程和多酶途徑提供技術(shù)基礎(chǔ)。

5 數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

在DNA 分子標(biāo)記技術(shù)方面，美國國立生物技術(shù)信息中心（National Center for Biotechnology Information,NCBI）和國際生命條形碼聯(lián)盟（International Barcode of Life, IBOL）為標(biāo)準(zhǔn)DNA 條形碼序列及相關(guān)支持性數(shù)據(jù)的檢索提供服務(wù)。國際生命條形碼數(shù)據(jù)系統(tǒng)（Barcode Life Data System, BOLD）提供了DNA 條形碼的技術(shù)規(guī)范和要求。

在網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)研究方面，中藥系統(tǒng)藥理學(xué)分析平臺與數(shù)據(jù)庫（Traditional Chinese Medicine Systems Pharmacology Database and Analysis Platform, TCMSP）是一種獨(dú)特的中草藥系統(tǒng)藥理學(xué)平臺，它能捕捉藥物、靶標(biāo)和疾病之間的關(guān)系。該數(shù)據(jù)庫包括化學(xué)物質(zhì)、靶點(diǎn)和藥物靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，以及相關(guān)的藥物靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，以及涉及口服生物利用度、藥物相似度、腸上皮通透性、血腦屏障、水溶性等天然化合物的藥代動力學(xué)特性。STRING 是一個已知和預(yù)測蛋白質(zhì)相互作用的數(shù)據(jù)庫。來自原始生物之間的直接相互作用（和預(yù)測）包括來自物理數(shù)據(jù)庫的間接相互作用。此外，蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（Protein Data Bank，PDB）、ChemBio3D Ultra 14.0 三維化學(xué)結(jié)構(gòu)繪圖軟件，SystemsDock 的分子對接服務(wù)器也正在被運(yùn)用于合成生物學(xué)領(lǐng)域。

目前，中國已經(jīng)廣泛開展分子對接方面的研究，以確定化合物與受體蛋白之間的相互作用。例如，使用Autodock 4.2.6 軟件可以將受體蛋白與目標(biāo)化合物以及選擇性抑制劑進(jìn)行分子對接。在查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上建立含有配體分子結(jié)構(gòu)的分子庫，使用Discovery Studio 2016（DS）軟件對分子庫的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從PDB 數(shù)據(jù)庫下載靶點(diǎn)蛋白，運(yùn)用DS 中的分子對接（Molecular Docking）技術(shù)查看篩選出的配體分子與對應(yīng)靶點(diǎn)蛋白的非鍵相互作用情況[6，7]。

隨著在微觀尺度上精確控制化學(xué)反應(yīng)的納米機(jī)器的發(fā)展，熱纖梭菌已經(jīng)成為目前最有希望實現(xiàn)纖維素轉(zhuǎn)化工業(yè)化的菌株之一，是一種能夠高效的、能直接分解纖維素的嗜熱厭氧菌，其轉(zhuǎn)化纖維素的主要產(chǎn)物有乙醇、乙酸、乳酸、CO2和H2等，纖維小體在降解纖維素底物方面具有的優(yōu)勢越來越明顯[8]。中國目前在底盤細(xì)胞構(gòu)建、化學(xué)品合成的元件設(shè)計合成、合成途徑創(chuàng)建及合成細(xì)胞工廠構(gòu)建，以及合成生物學(xué)基本技術(shù)開發(fā)方面取得了一系列重要進(jìn)展，中國合成生物學(xué)技術(shù)時代的發(fā)展必然會大力推動植物資源的開發(fā)與利用，成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。