浅谈合成生物学的应用

1.前言

合成生物学无疑会推动生物燃料、特种化学品、农业和药物等方面的进步。目前，科学家们已经不局限于非常辛苦地进行基因剪接，而是开始构建遗传密码，以期利用合成的遗传因子构建新的生物体。合成生物学在未来几年有望取得迅速进展。据估计，合成生物学在很多领域将具有极好的应用前景，这些领域包括更有效的疫苗的生产、新药和改进的药物、以生物学为基础的制造、利用可再生能源生产可持续能源、环境污染的生物治理、可以检测有毒化学物质的生物传感器。合成生物学是近年来新兴的一门学科，与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造不同，合成生物学从最基本的生命要素开始研究，目的是建立人工生物体系。换句话说，这门学科是设计自然界中原本不存在的生物或对现有生物进行改造。

2.合成生物学

合成生物学主要研究4个方面的内容：细胞是由蛋白质、核酸与其他分子组成的一个网络，合成生物学首先要研究的是细胞网络；二是研究基因线路。“基因线路”（genecircuit）又称遗传线路图是指在合成生物学中，由各种调节元件和被调节的基因组合成的遗传装置（geneticdevice），可以在给定条件下可调、可定时定量地表达基因产物。利用转录水平、转录后水平等的控制机制，合理组合转录基元、基础基因线路、基因模块的拓扑结构，目前遗传线路的功能主要可以分为两大类：逻辑基因线路（模拟各种逻辑关系和数字元件的遗传线路）和其他功能基因线路（具有特定生物功能的遗传线路）；三是合成生物材料与物质；四是最小基因组与合成生物。在《最小基因组与生命起源》吴家睿的一篇文章中写到：“生殖道支原体是一种寄生细菌，它的基因组是目前已测定的物种基因组中最小的一个，仅有468个基因。科学家将它的基因组与另外一种细菌流感嗜血杆菌的基因组序列进行了详细的比较，发现有240个生殖道支原体基因与流感嗜血杆菌基因存在垂直同源性，因此认为最小基因组需要大约250个基因。

3.合成生物在基因方面的应用

合成生物学技术包括DNA的合成，来自细菌、酵母及植物等多种基因及代谢途径的组装，多基因的精密调控等。利用合成生物学技术可以合成非天然的氨基酸和碱基，如2003年，Schultz小组在大肠杆菌的蛋白质合成系统中引入新的化学成分，从而成功地合成包含非天然氨基酸的蛋白质；2006年，Benner小组通过引入新的碱基对，成功发展了人工生命遗传系统。

4.能源领域的应用

利用合成生物学技术还可以合成能源物质——氢和石油。PLOSONE2007年发表了美国VirginiaTech生物系统工程系教授Y-PZhang等人的论文。他们利用合成生物学原理，用13个已知的酶来完成一个重要反应，这13个酶形成了一条非天然酶催化途径。随着技术发展及与燃料电池的集成，该技术有望解决与氢气的储存、销售有关的难题，因而在汽车中的应用具有巨大潜力。美国LS9可再生石油公司的研究人员正利用来自多种生物（包括细菌、植物、动物等）的基因及用来生产脂肪酸的生化途径，用合成生物学方法创造出一些代谢模块，插入微生物后，通过不同的组合，这些模块可以诱导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的'化学品。

5.合成生物在我国的应用

上海在近期也成立了合成生物学实验室，该实验室的前身是分子微生物学开放实验室，该实验室已在钩端螺旋体的基因组学研究、SARS冠状病毒的进化基因组、线型质粒的功能及发展特殊遗传操作体系、放线菌代谢途径及其调控机理的解析、丙酮丁醇梭菌的选育和遗传改造及应用、酶的结构与功能关系研究和改造与工业化应用等方面取得了一系列突出成果。目前实验室的研究方向包括生物质合成的分子设计、能源植物改造、能源和医药化工产品的高效生物合成，近期将重点开展能源生物和生产重要次生代谢物“超级链霉菌”的设计与构建的研究。

6.小结

随着用于进行合成生物学研究的各项技术，如遗传工程技术、微生物工程技术、计算机技术和合成基因组学技术的日趋成熟，合成生物学的研究将取得更大的进步，并在解决人类能源、环境、医疗、药物生产等问题上发挥更大的作用。应该鼓励和规范合成生物学方面应发挥的作用。