趙國屏:合成生物學(xué):生命科學(xué)的“利器”

文章來(lái)源:人民日報  |  發(fā)布時(shí)間:2020-12-01  |  【打印】 【關(guān)閉

  

  人類(lèi)進(jìn)入21世紀以來(lái),一門(mén)新興的交叉學(xué)科“合成生物學(xué)”成為國際科學(xué)前沿一大熱門(mén)。

  合成生物學(xué),能利用大腸桿菌生產(chǎn)大宗化工材料,擺脫石油原料的束縛;酵母菌生產(chǎn)青蒿酸和稀有人參皂苷,降低成本,促進(jìn)新藥研發(fā);工程菌不“誤傷”正常細胞,專(zhuān)一攻擊癌細胞;創(chuàng )制載有人工基因組的“人造細胞”,探究生命進(jìn)化之路;利用DNA儲存數據信息并開(kāi)發(fā)生物計算機……作為科學(xué)界的新生力量,合成生物學(xué)進(jìn)展迅速,并已在化工、能源、材料、農業(yè)、醫藥、環(huán)境和健康等領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景。

  探究生命起源演化  解讀“密碼”改造自然 

  生命是世界上最復雜的物質(zhì)存在。人類(lèi)自誕生以來(lái),就在認識生命的漫漫長(cháng)途中上下求索。從中國古代的《黃帝內經(jīng)》和《本草綱目》,到西方近代博物學(xué)家對動(dòng)植物分類(lèi),人類(lèi)對于生命現象的認識,都是從對生命體的“宏觀(guān)”觀(guān)察、“表觀(guān)”描述而獲得的經(jīng)驗型邏輯總結。另一方面,對于譬如尿素之類(lèi)的“有機物”,化學(xué)家們也認為只能由生物體在一種神秘的“生命力”作用下產(chǎn)生。

  1828年,德國化學(xué)家弗里德里?!ぞS勒無(wú)意在無(wú)機實(shí)驗中合成了尿素,揭開(kāi)了人工合成有機物的“合成化學(xué)”序幕。也就是從19世紀后期到20世紀前半葉,基于數理化技術(shù)與方法的實(shí)驗科學(xué)催生了認識生命共同本質(zhì)的細胞生物學(xué)、生物化學(xué)、遺傳學(xué)和發(fā)育生物學(xué),而進(jìn)化論的誕生,則最先將人類(lèi)對生命的認識,提升到了理論的高度。

  20世紀中葉,隨著(zhù)DNA雙螺旋結構的發(fā)現,分子生物學(xué)“中心法則”的確立,人類(lèi)開(kāi)始找到生命現象的“密碼本”。而生命另一類(lèi)基本分子,具有生理活性的蛋白質(zhì)牛胰島素一級結構的解析,直接導致了我國科學(xué)家于60年代完成其全人工合成,即世界上首次人工合成蛋白質(zhì)。在同一時(shí)代,DNA測序技術(shù)的建立,實(shí)現了人類(lèi)“讀基因”的夢(mèng)想;DNA重組技術(shù)的建立,實(shí)現了人類(lèi)“寫(xiě)基因”的夢(mèng)想;再加上在基因定向突變與敲除基礎上的“編基因”夢(mèng)想的實(shí)現,分子生物學(xué)及基因工程技術(shù)在上世紀80年代,將生命科學(xué)推向了歷史上第一次革命的頂峰。

  至20世紀末,人類(lèi)基因組計劃帶來(lái)了第二次革命,實(shí)現了基因組的全面“解讀”,人類(lèi)對生物體組成和生命規律的認識達到了前所未有的系統生物學(xué)的深度和定量生物學(xué)的精度。2010年,科學(xué)家合成約100萬(wàn)堿基的支原體基因組,并將其轉入另一種支原體細胞中,獲得可正常生長(cháng)和分裂的“人造生命”,實(shí)現了“撰寫(xiě)”基因組的夢(mèng)想。此后,科學(xué)家又合成了非天然核苷酸、非天然氨基酸;并采用“編輯”基因組的手段,創(chuàng )建出人造單染色體真核細胞……人類(lèi)掌握了“讀”“寫(xiě)”“編”基因組的技術(shù)手段,獲得了設計與合成生命的能力,200年前盛行于世的“生命力”學(xué)說(shuō)被完全克服。

   什么是合成生物學(xué)?

  有什么樣的認識(科學(xué))和手段(技術(shù))就有什么樣的工程。古代,通過(guò)“嘗百草”檢驗植物藥性,建立中藥體系,通過(guò)人工馴化與優(yōu)選,獲取種質(zhì)資源,建立畜牧業(yè)與農業(yè)體系,都是利用當時(shí)的生物認識和生物技術(shù),造福人類(lèi)的典型工程實(shí)踐。今天,怎樣利用對生命“密碼本”的認識及對其“編寫(xiě)”的手段,改造自然、造福人類(lèi)?21世紀初, 科學(xué)家們將工程科學(xué)的研究理念融入現代生命科學(xué),發(fā)展出以合成生物學(xué)為代表的“會(huì )聚”研究,促成了生命科學(xué)的第三次革命。

  合成生物學(xué)采用工程學(xué)“自下而上”的理念,打破“自然”和“非自然”的界限,從系統表征自然界具有催化調控等功能的生物大分子,使其成為標準化“元件”,到創(chuàng )建“模塊”“線(xiàn)路”等全新生物部件與細胞“底盤(pán)”,構建有各類(lèi)用途的人造生命系統。這一與系統生物學(xué)“自上而下”解析理念相反的合成理念,也將我們習以為常的“格物致知”研究策略,推進(jìn)到了“建物致知”的新高度。這樣,進(jìn)化過(guò)程中“猜測”的祖先物種或分子體系,將可能被合成,并加以定向的詮釋?zhuān)欢桓鞣N“假說(shuō)”“對照”分割研究的復雜生命現象,也可以實(shí)現整合的定量研究,解析因果機制。

  合成生物學(xué)采用工程學(xué)“設計—合成—測試”的研究方法,在學(xué)習抽象自然生命系統的基礎上,或對自然生物系統“重編程”,或重頭設計具有全新特征的人工生命體系;然后,利用“基因編輯”“基因合成”等“工具包”,用實(shí)驗方法來(lái)構建,再對構建出來(lái)的生物系統進(jìn)行測試,如此反復循環(huán)優(yōu)化,形成了一個(gè)正向可靠的科學(xué)閉環(huán)。建筑在如此大規模通用化工程平臺基礎上的合成生物學(xué),往往也被稱(chēng)為“工程生物學(xué)”,它“建物致用”的工程能力,有望為解決健康、能源、糧食、環(huán)境等重大問(wèn)題做出新貢獻。

   破解資源環(huán)境難題 賦能人類(lèi)健康事業(yè) 

  當前,資源短缺、環(huán)境污染、氣候變化等全球問(wèn)題日益凸顯,合成生物技術(shù)為實(shí)現“社會(huì )—生態(tài)/環(huán)境—經(jīng)濟”和諧發(fā)展提供了全新解決方案。

  石油是儲量有限的不可再生資源,遲早有枯竭的一天,這是人類(lèi)生存發(fā)展必須嚴肅應對的問(wèn)題。在理論上,絕大多數石油化學(xué)品都能夠借助合成生物學(xué)技術(shù)制得,人們還可通過(guò)生物合成技術(shù)制造出傳統化工無(wú)法合成的新燃料。同時(shí),合成生物學(xué)在人工固碳、利用二氧化碳方面取得進(jìn)展。例如,科學(xué)家通過(guò)對細菌進(jìn)行人工優(yōu)化和改造,建造可將大氣中的二氧化碳轉化為酮、醇、酸等化學(xué)品的“細胞工廠(chǎng)”,實(shí)現二氧化碳等資源的高效綜合利用,推動(dòng)建立低能耗、低污染、低排放的低碳經(jīng)濟模式。

  隨著(zhù)全球人口不斷增長(cháng),環(huán)境污染加劇和氣候持續變化,人類(lèi)食品和環(huán)境安全面臨巨大挑戰。利用合成生物學(xué)技術(shù),創(chuàng )建適用于食品工業(yè)的細胞工廠(chǎng),將可再生原料轉化為重要食品組分,這被認為是解決食品問(wèn)題的可行途徑。在農業(yè)生產(chǎn)中,氮肥使用量大幅增加帶來(lái)的土壤板結和酸化等問(wèn)題,可以通過(guò)合成生物學(xué)“微生物固氮”技術(shù)得以有效解決。在環(huán)境治理領(lǐng)域,可以通過(guò)“定制”微生物去除難降解的有機污染物,也可開(kāi)發(fā)出人工合成的微生物傳感器,幫助人類(lèi)監測環(huán)境,設計構建能夠識別和富集土壤或水中的鎘、汞、砷等重金屬污染物的微生物,以大幅提升污染治理效能。

  合成生物學(xué)在生命健康領(lǐng)域也有廣闊的用途,不僅能夠用于天然產(chǎn)物等醫藥產(chǎn)品的生產(chǎn),還能在疾病研究模型的開(kāi)發(fā)、生物標志物監測、干細胞與再生醫學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。例如,人體腸道內具有豐富多樣的微生物,合成生物學(xué)為腸道微生物的改造提供了工具:一方面,可以設計改造對人體有益的細菌,讓它們生產(chǎn)人體自身不能合成的維生素等營(yíng)養物質(zhì);另一方面,可以設計出感知腸道環(huán)境變化的“智能微生物”,對人體內的健康狀態(tài)進(jìn)行檢測和診斷。

  在抗擊新冠肺炎疫情中,合成生物學(xué)技術(shù)發(fā)揮了重要作用,展現了強大應用潛力。例如,利用DNA條形碼技術(shù)改進(jìn)測序流程、利用基因編輯技術(shù)開(kāi)發(fā)核酸診斷試劑,提高診斷的準確性和靈敏度。利用合成生物學(xué)技術(shù)還可以尋找潛在的小分子藥物、開(kāi)發(fā)疫苗,以及通過(guò)調節人體微生物組來(lái)激活人體免疫系統,提高人體抗病毒能力。

  改造生命的目的,是為了更好地認識和調控生命現象,使之為改善生態(tài)、提高人類(lèi)生命生活質(zhì)量服務(wù)。未來(lái),在人工智能和大數據等新技術(shù)推動(dòng)下,合成生物學(xué)將賦予人類(lèi)更強的“改造自然,利用自然”的能力,當然,同時(shí)也會(huì )帶來(lái)社會(huì )倫理與安全等新問(wèn)題。我們必須在思想上明確該做什么,怎么做才是正確的;在做好風(fēng)險評估并開(kāi)發(fā)防控風(fēng)險的技術(shù)和策略的同時(shí),及時(shí)制定相應的研究規范、倫理指導原則和相應的法律、法規,并輔以可落實(shí)的管理規章與監管辦法。

  人類(lèi)數百萬(wàn)年對于生命的探索,經(jīng)過(guò)最近兩個(gè)多世紀的三次革命,才達到了“合成生物學(xué)”的高度,形成了工程化的能力。然而,這只是“萬(wàn)里長(cháng)征第一步”。用好合成生物學(xué)的“利器”,為實(shí)現建設社會(huì )主義現代化強國的理想作出貢獻,還需要投入大量心血,提升知識、創(chuàng )新技術(shù)、踏實(shí)轉化、服務(wù)需求。中國科學(xué)工作者對此責無(wú)旁貸。

 ?。ㄗ髡邽橹袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室專(zhuān)家委員會(huì )主任)