淺談合成生物學(xué)的應用

淺談合成生物學(xué)的應用

　　1.前言

　　合成生物學(xué)無(wú)疑會(huì )推動(dòng)生物燃料、特種化學(xué)品、農業(yè)和藥物等方面的進(jìn)步。目前，科學(xué)家們已經(jīng)不局限于非常辛苦地進(jìn)行基因剪接，而是開(kāi)始構建遺傳密碼，以期利用合成的遺傳因子構建新的生物體。合成生物學(xué)在未來(lái)幾年有望取得迅速進(jìn)展。據估計，合成生物學(xué)在很多領(lǐng)域將具有極好的應用前景，這些領(lǐng)域包括更有效的疫苗的生產(chǎn)、新藥和改進(jìn)的藥物、以生物學(xué)為基礎的制造、利用可再生能源生產(chǎn)可持續能源、環(huán)境污染的生物治理、可以檢測有毒化學(xué)物質(zhì)的生物傳感器。合成生物學(xué)是近年來(lái)新興的一門(mén)學(xué)科，與傳統生物學(xué)通過(guò)解剖生命體以研究其內在構造不同，合成生物學(xué)從最基本的生命要素開(kāi)始研究，目的是建立人工生物體系。換句話(huà)說(shuō)，這門(mén)學(xué)科是設計自然界中原本不存在的生物或對現有生物進(jìn)行改造。

　　2.合成生物學(xué)

　　合成生物學(xué)主要研究4個(gè)方面的內容：細胞是由蛋白質(zhì)、核酸與其他分子組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，合成生物學(xué)首先要研究的是細胞網(wǎng)絡(luò )；二是研究基因線(xiàn)路�！盎�因線(xiàn)路”（genecircuit）又稱(chēng)遺傳線(xiàn)路圖是指在合成生物學(xué)中，由各種調節元件和被調節的基因組合成的遺傳裝置（geneticdevice），可以在給定條件下可調、可定時(shí)定量地表達基因產(chǎn)物。利用轉錄水平、轉錄后水平等的控制機制，合理組合轉錄基元、基礎基因線(xiàn)路、基因模塊的拓撲結構，目前遺傳線(xiàn)路的功能主要可以分為兩大類(lèi)：邏輯基因線(xiàn)路（模擬各種邏輯關(guān)系和數字元件的遺傳線(xiàn)路）和其他功能基因線(xiàn)路（具有特定生物功能的遺傳線(xiàn)路）；三是合成生物材料與物質(zhì)；四是最小基因組與合成生物。在《最小基因組與生命起源》吳家睿的一篇文章中寫(xiě)到：“生殖道支原體是一種寄生細菌，它的基因組是目前已測定的物種基因組中最小的一個(gè)，僅有468個(gè)基因�？茖W(xué)家將它的基因組與另外一種細菌流感嗜血桿菌的基因組序列進(jìn)行了詳細的比較，發(fā)現有240個(gè)生殖道支原體基因與流感嗜血桿菌基因存在垂直同源性，因此認為最小基因組需要大約250個(gè)基因。

　　3.合成生物在基因方面的應用

　　合成生物學(xué)技術(shù)包括DNA的合成，來(lái)自細菌、酵母及植物等多種基因及代謝途徑的組裝，多基因的精密調控等。利用合成生物學(xué)技術(shù)可以合成非天然的氨基酸和堿基，如2003年，Schultz小組在大腸桿菌的蛋白質(zhì)合成系統中引入新的化學(xué)成分，從而成功地合成包含非天然氨基酸的蛋白質(zhì)；2006年，Benner小組通過(guò)引入新的堿基對，成功發(fā)展了人工生命遺傳系統。

　　4.能源領(lǐng)域的應用

　　利用合成生物學(xué)技術(shù)還可以合成能源物質(zhì)——氫和石油。PLOSONE2007年發(fā)表了美國VirginiaTech生物系統工程系教授Y-PZhang等人的論文。他們利用合成生物學(xué)原理，用13個(gè)已知的酶來(lái)完成一個(gè)重要反應，這13個(gè)酶形成了一條非天然酶催化途徑。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展及與燃料電池的集成，該技術(shù)有望解決與氫氣的儲存、銷(xiāo)售有關(guān)的難題，因而在汽車(chē)中的應用具有巨大潛力。美國LS9可再生石油公司的研究人員正利用來(lái)自多種生物（包括細菌、植物、動(dòng)物等）的基因及用來(lái)生產(chǎn)脂肪酸的生化途徑，用合成生物學(xué)方法創(chuàng )造出一些代謝模塊，插入微生物后，通過(guò)不同的組合，這些模塊可以誘導微生物生產(chǎn)原油、柴油、汽油或基于烴的化學(xué)品。

　　5.合成生物在我國的應用

　　上海在近期也成立了合成生物學(xué)實(shí)驗室，該實(shí)驗室的前身是分子微生物學(xué)開(kāi)放實(shí)驗室，該實(shí)驗室已在鉤端螺旋體的基因組學(xué)研究、SARS冠狀病毒的進(jìn)化基因組、線(xiàn)型質(zhì)粒的功能及發(fā)展特殊遺傳操作體系、放線(xiàn)菌代謝途徑及其調控機理的解析、丙酮丁醇梭菌的選育和遺傳改造及應用、酶的結構與功能關(guān)系研究和改造與工業(yè)化應用等方面取得了一系列突出成果。目前實(shí)驗室的研究方向包括生物質(zhì)合成的分子設計、能源植物改造、能源和醫藥化工產(chǎn)品的高效生物合成，近期將重點(diǎn)開(kāi)展能源生物和生產(chǎn)重要次生代謝物“超級鏈霉菌”的設計與構建的研究。

　　6.小結

　　隨著(zhù)用于進(jìn)行合成生物學(xué)研究的各項技術(shù)，如遺傳工程技術(shù)、微生物工程技術(shù)、計算機技術(shù)和合成基因組學(xué)技術(shù)的日趨成熟，合成生物學(xué)的研究將取得更大的進(jìn)步，并在解決人類(lèi)能源、環(huán)境、醫療、藥物生產(chǎn)等問(wèn)題上發(fā)揮更大的作用。應該鼓勵和規范合成生物學(xué)方面應發(fā)揮的作用。