逆天的合成生物学

如果有人告诉你以后人类可以建造人工生物系统,让它们像电路一样运行,相信么?是不是太科幻了?然而,现在这一切已经呼之欲出了。不信我们一起去看看。

 

合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科,近年来合成生物学的研究进展很快。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同,合成生物学的研究方向完全是相反的,它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同,合成生物学的目的在于建立人工生物系统(artificial biosystem),让它们像电路一样运行。腻害吧?

 

合成生物学(synthetic biology),最初由Hobom B.于1980年提出来表述基因重组技术,随着分子系统生物学的发展,2000年E. Kool在美国化学年会上重新提出来,2003年国际上定义为基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究,从基因片段、DNA分子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成,类似于现代集成型建筑工程,将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域,合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。

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理论背景

 

系统(systems)生物学也称为"整合(integrative biology)生物学",合成(synthetic)生物学又叫"建构生物学(constructive biology)"(Zeng BJ.中译),是将物理科学、工程技术原理与方法贯彻到细胞、遗传机器与细胞通讯技术等纳米层次的生物分子系统分析与设计。21世纪是系统生物科学与工程 - 也就是生物系统分析学与人工生物系统的时代,将带来未来的科技与产业革命。系统科学方法与原理源自坎农的生理学稳态机理和图灵的计算机模型及图式发生的研究,又应用于生物科学与工程。21世纪伊始,进入了系统生物学与工程迅速发展的时代,而系统遗传学与合成生物学(系统遗传工程或转基因系统生物技术)是其核心,并将带来的是系统医学与生物工业革命。

 

经典案例

 

1997年曾邦哲(Zeng BJ.)设计与操作了一个典型的系统生物学非加和性抗药细胞实验:CHO细胞用化学诱变剂甲磺酸乙脂处理一次筛选到抗10uM和20uM洛伐他汀的细胞系,再用甲磺酸乙脂处理一次抗10uM洛伐他汀的突变细胞系筛选到高到可抗70uM洛伐他汀的细胞系,70uM远大于2X20uM=40uM,说明基因与基因的相互作用是非加和性的,也就是系统遗传学的经典实验。

 

让·维斯是麻省理工学院计算机工程师,早在他读研究生时就迷上了生物学,并开始为细胞"编程",现在已成为合成生物学的领军人物。维斯的导师、计算机工程师和生物学家汤姆·奈特表示,他们希望研制出一组生物组件,可以十分容易地组装成不同的"产品"。研制不同的基因线路---即特别设计的、相互影响的基因。波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种"套环开关",所选择的细胞功能可随意开关。

 

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合成生物学的研究

 

加州大学生物学和物理学教授埃罗维茨等人研究出另外一种线路:当某种特殊蛋白质含量发生变化时,细胞能在发光状态和非发光状态之间转换,起到有机振荡器的作用,打开了利用生物分子进行计算的大门。维斯和加州理工学院化学工程师阿诺尔一起,采用"定向进化"的方法,精细调整研制线路,将基因网络插入细胞内,有选择性地促进细胞生长。维斯目前正在研究另外一群称为"规则系统"的基因,他希望细菌能估计刺激物的距离,并根据距离的改变做出反应。该项研究可用来探测地雷位置:当它们靠近地雷时细菌发绿光;远离地雷时则发红光。维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程,以促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等,让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。尽管该工作尚处初级阶段,但却是生物学调控领域中重要的进展。

 

发展历程

 

"合成生物学"更早可追踪到波兰科学家Waclaw Szybalski采用"合成生物学"术语,以及目睹分子生物学进展、限制性内切酶发现等可能导致合成生物体的预测。"系统生物学"则可追踪到贝塔朗菲的"有机生物学"及定义"有机"为"整体或系统"概念,以及阐述采用开放系统论、数学模型与计算机方法研究生物学。

 

随着计算机、生物信息、基因合成与基因测序等技术的进展,使计算机辅助设计、全基因乃至基因组人工合成成为可能,使生物工程产业化的技术瓶颈可能突破,使生物产业能够进入工程化与设计化的产业发展,导致了有如"系统科学与自动通讯技术"之间的理论研究与技术转化互动,系统科学与生物技术、系统生物学与合成生物学之间的密切互动,也将导致系统生物技术的基础研究向应用开发的转化(转化科学、转化生物学)距离迅速缩短。

 

美国被认为是世界领先的这一新兴科学领域。合成生物学藉由设计组装生物元件与系统,来测试基因体(genosome)运作的规则,或使生物体执行新的功能,在生医制药、能源环保等层面有极大的应用潜力。合成生物学(shythetic biology),目前正描绘未来的一切无限可能。

 

早在1974年,波兰遗传学家斯吉巴尔斯基(Waclaw Szybalski),就已经预言了生物学可能的未来:一直以来我们都在做分子生物学描述性的那一面,但当我们进入合成生物学的阶段,真正的挑战才要开始。我们会设计新的调控元素,并将新的分子加入已存在的基因组(genome)内,甚至建构一个全新的基因组。这将是一个拥有无限潜力的领域,几乎没有任何事能限制我们去做一个更好的控制回路。最终,将会有合成的有机生命体出现。

 

1994年中科院曾邦哲发表系统生物工程的基因组蓝图设计与生物机器装配、生物分子电脑与细胞仿生工程等仿生学与基因工程的整合概念,1999年曾邦哲用"genomic intelligence"表述可人工编制基因组程序和设计细胞内分子电路系统的"artificial biosystem"概念图,以之区别于"artificial life",从而正式提出计算机学和仿生学、转基因工程的细胞分子机器的设计与装配研究。

 

2002年,纽约大学的病毒学家埃卡德·维默尔宣布他和他的研究小组从生物技术公司购买了DNA短小片断,并在DNA合成公司的协助下将它们连接起来,制造出了人工合成的脊髓灰质炎病毒。这项研究的成功让维默尔完成了一项前人从未完成的工作。但他同时向人们发出警告,生物恐怖主义分子完全有能力制造出致命病毒,例如埃博拉病毒、天花病毒以及一切目前人们拥有的药物均无法消灭的病毒。

 

2010年,在美国文特研究所,由克雷格·文特(Craig Venter) 带领的研究小组成功创造了一个新的细菌物种--"Synthia"。他们将Mycoplasma capricolum(细菌A)的细胞核消除;将M. mycoides(细菌B)的DNA序列解码并拷贝到电脑中。然后通过人工合成的方法(形象地说,就是用基因打印机把这个DNA序列打印出来),将细菌B的DNA重新制作出来并添加到细菌A的细胞中并激活它。克雷格还在这条新的DNA中加入了"水印"(就像他们的电子邮箱地址),以便于日后的辨认与区分。"水印"的作用是让重新获得DNA的细胞A有制造蓝色色素的能力,由于原始的细胞A不具有产生色素的能力(所以是白色的),新合成的细胞A会很容易被辨认出来。

于是,在花费了40,000,000美元和15年的等待后,2010年5月20日,吉布森(Gibson)和他的同事们在文特研究所宣布,世界上第一个由纯人工合成创造的细菌物种诞生了。这一"验证理论"的实验结果为众多正在探讨和进行类似项目研究的科学家们打了一剂定心针,因为克雷格证明了人工创造物种的可能性与实践性。

 

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Synthia and its father

 

《科学美国人》(Scientific American)杂志编辑比艾罗(David Biello)曾经用过一个简单的比喻,来说明什么是合成生物学:如果将生命比作电脑,那么,由许多核酸组成的程式码--基因体,就是生命的作业系统(operating system)。合成生物学想做的就是,透过创造或改写基因组,让生命表现出预期的行为,执行预定的工作。然而,有时候我们会把生命的程式写"坏"了,就像你把电脑的作业系统弄坏了一样;电脑会因此开不了机,而生命机器也会因此不正常或是死亡。藉由尝试错误(trial and error)的过程,累积成功与失败的经验,人们就会渐渐了解生命程式的规则与语法,进而掌握撰写生命蓝图的法则。

 

应用前景

 

合成生物学将催生下一次生物技术革命。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等。

 

现在研究人员已经利用合成生物体来研制下一代清洁的可再生生物燃料以及某些稀缺的药物。第一代合成微生物是合成生物学的简单应用,但随着合成生物学技术不断走向成熟,又可能研制出复杂的有机体,其基因组可能由各种基因序列(包括实验室设计和研制的人工基因序列)重组而成。随着对有关遗传成分的认识的增加,科学家们也许可以预测新的遗传改造所具有的功能。

 

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。人类正在设计并构建一些可以按照预定方式存在的生命体系。在有些情况下,它们是依靠人工开发的基因密码运行的,因此它们具备了某些自然机体不具备的能力,美国马萨诸塞州技术研究所合成生物学小组负责人德鲁·恩迪解释说。美国加利福尼亚大学蛋白质研究工程师温德尔·利姆认为,合成生物学通过修复细胞功能、消除肿瘤、刺激细胞生长和使某些决定性细胞再生,实现治疗各种疾病的目的。

 

一些专家提出应该制造一个配备有生物芯片的细胞机器人,让它在我们的动脉中游荡,检测并消除导致血栓的动脉粥样硬化。还有一些研究人员认为,运用合成生物学还可以制成各种各样的细菌,用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等。恩迪还提出,可制造一种生物机器用来探测化学和生物武器,发出爆炸物警告,甚至可以从太阳中获取能量,用来制造清洁燃料。但是也有一些谨慎的研究人员认为,合成生物学存在某些潜在危险,它会颠覆纳米技术和传统基因工程学的概念。如果合成生物学提出的创建新生命体的设想得以实现,科学家们就必须有效防止这一技术的滥用,防止生物伦理冲突以及一些现在还无法预知的灾难。

 

毫无疑问,在科学家的理解中,细胞是自然界进化魔杖的完美设计,而合成生物学正是这一概念的逻辑推论。尽管科学家们在合成生物学方面做的各项研究和实验还处于初级阶段,但这项前沿科学一定能够给人们带来惊喜,无论这样的惊喜是好是坏。

 

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