细胞的亿万次进化（创造生命奇迹的合成生物学）

合成生物学是什么？

它有什么精彩的故事？

它真的可以合成生命吗？

它会不会打开潘多拉魔盒？

它将指引生命科学走向何方？

《奇云空间》数万字长文为您深度解读合成生物学！

1、合成生物学引发生物科学革命

地球上的生命大都是自然形成的。

然而，一门新兴的学科却颠覆了这一规律，它可以从有机物合成生命分子，像组装电路一样组装出生命体。

这门学科叫“合成生物学”（Synthetic biology）。

这是一个有着巨大科学与应用潜力的新生交叉学科。它的诞生不过22年，但是它发展异常迅猛，全球各国科学家与政府在高度重视的同时，投入大量的人力物力进行研究，并取得令人欣喜和震惊的成果。

合成生物学真正进入大众视野，缘于2010年首个人造单细胞生物“辛西娅”（Synthia）的诞生。

“辛西娅”是第一个由人类合成并能自我复制的新物种，它在给公众带来惊叹和恐慌的同时，也让合成生物学迅速成为媒体和公众关注的焦点。

这一发现，也入选了美国《科学》（Science）杂志评选的“2010年十大科学突破”。此外，美国《科学美国人》的2010年十大科学新闻、美国《时代》周刊的十大医学突破、《国际财经日报》的十大科学发现、英国《自然》杂志的2010年12件重大科学事件，均包括合成生物学。

随着基因测序、基因合成和基因编辑三座技术大山相继被人类翻越，合成生物学被誉为继DNA双螺旋结构发现和基因组测序后的“第三次生物科学革命”。

作为一门典型的新兴科学领域,合成生物学的影响力在近年得以迅速上升，被喻为是认识生命的钥匙、改变未来的颠覆性技术。尽管眼下人类尚未能从零到一创造出真正的生命，但人造细胞、改造生命的可能，已经迸发出巨大的想象空间，人类似乎离扮演上帝角色又进了一步。

2、揭开合成生物学的面纱

（1）什么是合成生物学？

19世纪下半叶以来，生命科学研究领域每50年左右便竖起一座里程碑,包括孟德尔遗传定律(1886年)、摩尔根的染色体遗传学说(1909-1928年)、沃森和克里克构建的DNA双螺旋结构模型(1953年)以及人类基因组计划(1990-2003年)。

尤其是人类基因组计划的完成，推动生命科学进入组学(∼omics)和系统生物学时代。

而系统生物学与基因技术、工程科学、合成化学、计算机科学等众多学科交叉融合,又催生和振兴了合成生物学。

合成生物学是一门汇集生物学、基因组学、工程学和信息学等多种学科的交叉学科，其实现的技术路径是：运用系统生物学和工程学原理，以基因组和生化分子合成为基础，综合生物化学、生物物理学和生物信息学等学科的技术，旨在设计、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化过程，以构建具有生命活性的生物元件、系统以及人造细胞或生物体。

虽然“合成生物学”（Synthetic biology）一词1911年就在著名科学刊物《科学》（Science）和《柳叶刀》（The Lancet）等杂志上出现过，但许多学者认为，合成生物学成为一门真正的学科始于2000年。

比起当前的转基因、基因工程等技术，合成生物学的研究更前卫，代表了下一代生物技术。

2000年，美国科学家詹姆斯·柯林斯（James J.Collins）开发出了遗传开关，这通常被认为合成生物学的开端。

2010年，克雷格·文特尔（Craig Venter）创造出了第一个人造生命“辛西娅”。

之后，合成生物学快速发展，出现了非天然核酸、蛋白质从头设计，单条染色体酵母和大肠杆菌基因组全合成等，一系列里程碑式的工作。

事实上，对于这项技术而言，它的本质是通过工程化的思路，改造细胞使其为人类工作生产所需的物质。更形象的解释是将其类比为计算机科学：

自下而上，计算机科学是从各个元器件组合成电路，各个电路再组合成为模板，进而拼接成计算机，由此构建起计算机网络。而在合成生物学里，就是把元器件、电路和模板替换成了蛋白质和基因、生化反应和代谢通路，细胞则是那台计算机。无数的细胞再构造出一个组织或菌落。

其中，以基因组编辑效率和基因测序等为主的基因组“读-改-写”技术，其技术迭代进步和价格下降推动着合成生物学研究的发展；而当合成生物学中非常核心且技术的工具——细胞内的逻辑门不断被制造出来，创造一个像电子电路一样的细胞电路也拥有了更多可能。作为合成生物学的一个核心目标。细胞内的逻辑门所连接起的是细胞内部的信号，起到让细胞实现功能的关键作用。

（2）合成生物学的三个基本要素

合成生物学与目前基因工程和生物技术方法的关键区别，就是其将工程设计和开发的方法应用于生物技术。这种方法的实质就是为了设计出满足某些特性的产品，对每一个部件、装置或系统的特性进行规范。

在构建过程中，系统常常是利用标准的装置建造的，而这些装置则是由标准的部件制造的。标准的部件和装置具有复杂系统建造所需的全部特征。

因此，合成生物学含有三个基本要素：

第一是，采用从自然界分割出来的标准的生物学元件，可被修饰、重组乃至创造的元件。

第二是，依据基因组和系统生物学的知识进行合理性的重组、设计。

第三是，采用现代生物技术和相关物理、化学技术，人工建造新的生物系统，乃至获得新的生命（生物体）。

（3）合成生物学的4个重要技术

合成生物学的发展主要涉及4个重要技术：

第一步是测序。有了测序技术的发展，了解了原有系统才能更好地设计新的系统。

第二步就是计算机模拟建模。了解了整个生命系统的构成，对生命系统有一个系统认识后，通过计算机模拟建模分析，编制科学家想要实现的新的生命体系。

第三步就是从无到有获得新的基因。

第四步是通过移植技术获得新的生命细胞。

合成生物学既是多学科的交叉综合，又是充满挑战和机遇的创新研究。

（4）合成生物学的研究策略

合成生物学的研究策略可分为“自上而下法”（top-down approach）和“自下而上法”（bottom-up approach）。

“自上而下法”强调利用合成生物学对现有生物或基因序列进行重新设计，以去掉不必要的零件，或取代、添加特定的零件。

“自下而上法”则更加雄心勃勃利用非生命组分作为原材料来构建生命系统。

比较而言，“自下而上法”面临的挑战非常大，突出的工作是构建具有各种功能的标准零件、基因调控线路及装置。

（5）合成生物学的研究“元件”

在合成生物学研究中，“元件”是合成生物学研究的基石，它们是具有特定功能的基因（由核苷酸序列决定）和蛋白（由氨基酸序列决定），“模块”则是功能元件加上了特定的调控开关，“基因回路”将许多元件和模块连接起来，组装成一个合成生物“电路”。

为了让这个电路工作，科学家必须通过生物信息指导下的计算机辅助软件，设计出复杂的基因调控网络，并将电路和网络在底盘（细胞）上进行组装，最终实现优化的运行。

“元件”、“基因回路”、“基因开关”组成一个合成生物电路，听上去简单易行，可操作起来有一个致命的难点：许多自然界的天然元件形态各异，大小不一，而且元件的性能会随不同的底盘细胞类型而改变，甚至在不同的实验室会表现出不同的功能，要实现按目的运行的组装，非常不容易。

如今的合成生物学与基因工程最显著的差别，就在于它采用了物理学在电子工程中应用、化学在化学工程中应用的概念，对生物系统的元件进行工程化、标准化。

如果说以往生物学做实验时还有“碰运气”成分的话，那么合成生物学则有着严谨的工程思想。

如果将生物学和合成生物学比作两个工人，生物学生产出的螺丝、螺帽没有标准，自家能用就行；而合成生物学则会生产出标准化的螺丝、螺帽，可以用于装配各种生物机器，避免大量地重复劳动。

2003年，美国麻省理工学院的合成生物学实验室成立了标准生物元件登记库，专门收集各种满足标准化条件的生物元件。目前登记库中已有25000多个生物元件，包括启动子、转录单元、蛋白质编码区等DNA序列、核糖体绑定位点和终止子等RNA序列和蛋白质结构域等。

2010年，美国合成生物学工程研究中心发起了国际发展生物技术开放基金，旨在开发上千个可免费使用的标准DNA元件，推动合成生物学的研究进程。、

即便如此，合成生物学的工程化依然面临着最大的挑战：生命体是高度动态、灵活、非线性、不可预测的，复杂的生命系统是否能被工程化，在什么条件下可以实现工程化。这就成为合成生物学的核心科学问题，还有待于科学家们的进一步探索。

3、合成生物学的神奇应用前景

从理论上说，合成生物学不会被我们的想象力限制，只要我们能想到，通过努力，就能将任何生物体或生物体的元件创造出来。

由于合成生物学目前仍处于发展的早期，未来具体应用领域尚难准确预料。时下较为普遍的看法是，它在能源、环保、医学、制药、化工、材料、农业等领域会大有用武之地。

（1）在能源领域的应用

在能源领域，合成生物学可以用于生物燃油开发。

包括开发出人工合成细菌，让它可以将糖类直接转化成与目前使用的燃油兼容的生物燃油。例如：文特尔研究所的科学家们把一个制造乙醇的微生物跟利用纤维素的微生物进行合成，使得新的微生物能直接利用纤维素生产乙醇。或改造自然界中将二氧化碳转化为甲烷的细菌，使之具有代谢二氧化碳的功能，成为一个专门生产甲烷的全新生物体。

随着技术发展及与燃料电池的集成，该技术也有望解决与氢气的储存、销售相关难题，因而在汽车领域应用潜力巨大。

美国合成基因组公司已改造了能从藻类细胞中分泌油的藻类品种。今后的步骤将涉及对天然藻类进一步筛选，以找到那些在利用太阳能、将二氧化碳转化为油方面效率特别高的品种。随后，研究者将大幅更改这些藻类的DNA，以提高收成率并改变油的构成，使其尽可能接近精炼后的成品燃油。

（2）在环境保护领域的应用

在环境保护领域，合成生物学在保护和恢复环境方面有着重要的价值。

运用合成生物学技术，构建能够监测、聚集和降解环境污染物的微生物体，用来消除水污染、清除垃圾、处理核废料等，可用于水域、空气等开放环境以及飞机、舰艇、洞库等密闭军事作业环境中污染物的检测与清理。例如：阿特拉津是一种大量使用的除草剂，但是会造成地下水的广泛污染。科学家用合成生物学方法，通过RNA选择法得到一个专门结合阿特拉津的“RNA开关”。“RNA开关”首先感应到阿特拉津的存在，进而可对大肠杆菌重新编程，进行跟踪并移向阿特拉津，随后大肠杆菌启动降解基因将其降解。

（3）在食品领域的应用

合成生物学在食品领域的应用包含肉类和乳制品、饮品、食品安全、调味剂和添加剂等多方面。CB Insights的行业分析师估计，到2040年，全球肉类市场的价值可能高达2.7万亿美元。美国食品药品监督管理局规定“植物肉产品”以植物蛋白、氨基酸等为制造原料，使得基于合成生物学的生物发酵成了生产人造肉原料的技术载体。

除了“植物肉”之外，另一种主流的人造肉是通过细胞培养技术，直接从动物干细胞中培育出人造肉。2013年通过细胞培养技术，从牛细胞中培育出世界上第一个人造牛肉汉堡。

除了肉类替代品之外，合成生物学技术企业也在探索更多新型食品的可能性。如：利用从美国黄石国家公园野外发现的真菌培育各种食品，包括奶油、奶酪和肉饼等，并于2021年2月正式开放了菌类食品的预售。

（4）在农业领域的应用

合成生物学在农业领域的应用主要涉及作物增产、牲畜和动物饲料及添加剂、害虫防治等方向。在作物增产领域，包含植物作物增产和牲畜增产两个方向。

2020年，PROVEN被《自然》（Nature）子刊评选为6种正在改变世界的合成生物学产品之一。该微生物固氮产品在2020年使用面积已经达到25万英亩。

在虫害防治领域，美国公司GreenLight致力于在农业和医疗领域开发高性能的RNA产品，其双链RNA喷剂产品可用于害虫、杂草和有害真菌的防治。

美国公司AgBiome致力于将微生物群落用于植物遗传性状分析、生物农药研制，以及开发新型农作物保护产品。英国公司Oxitec主要通过改造害虫基因，以及利用虫际传播来控制和减少害虫，从而避免害虫传播疾病和毁坏农作物。美国公司AgriMetis主要开发天然产物衍生的化合物来保护作物免受杂草、真菌和害虫的侵害。

在饲料产品领域，美国公司Calysta正在利用天然气和微生物发酵生产蛋白饲料。该产品可用于鱼类、牲畜及宠物营养的蛋白替代，且已经在多个国家获得批准使用。

在作物改良领域，美国公司D o w AgroSciences已成功利用锌指核酸酶基因编辑技术将多种性状引入粮食作物。美国公司Caribou正在利用基因编辑技术为猪、牛和其他家畜物种开发新的性状。

（5）在医药领域的应用

合成生物学在医疗和制药领域将创造无限奇迹！

一些科学家正在尝试用合成生物学手段开发新的药物。

①在感染性疾病防治中的应用

应用合成生物学技术对抗感染性疾病不仅是利用该技术开发出新的抗感染药物，同时还可以借助该技术提高现有抗生素的治疗效果。比如，只会感染某些特定细菌的噬菌体病毒（bacteriophage）就是一个很好的改造材料，改造后它可以破坏或者削弱耐药菌的耐药机制，加强现有抗生素的抗菌疗效。

此外，我们还可以针对病原体传播的载体动脑筋，合成出相应的药物控制病原体的传播和感染。比如，利用合成生物学方法对传播疟疾（疟原虫）的蚊子展开了进攻。他们构建了一个人工合成的结构，这种结构可以破坏蚊子传播疟原虫的能力，而且理论上它可以在实验蚊群体里快速传播，进而传播到野生蚊种群中。

美国加州大学伯克利分校化学工程系教授、劳伦斯国家实验室合成生物学中心主任杰伊·凯斯林(Jay Keasling)有关抗疟药物青蒿素微生物工业化合成的研究工作堪称合成生物学研究的典范之作。

青蒿素是中国人首先发现的抗疟疾良药，这一发现挽救了全球数百万人的生命。遗憾的是，野生青蒿的青蒿素含量普遍过低，导致从植物提取青蒿素成本高，产量低，供不应求。

凯瑟林研究组通过大肠杆菌、酵母及植物青蒿(Artemisia annua)等进行多种基因及代谢途径的组装、多基因的精密调控，改造后的菌株使青蒿素的前体物质——青蒿酸的合成能力大大提高。而青蒿酸再经过几步化学反应即可生成青蒿素。

为了尽快使研究成果产业化，他们还专门建立了新的公司，用合成生物学技术进行抗疟疾药及生物能源的生产。

②在癌症治疗中的应用

合成生物学家们对一种细菌进行了人工改造，让它可以特异性地进入肿瘤细胞，发挥杀伤作用，但是对正常人体细胞却是无害的。在一项研究中发现，细菌的这种侵入作用只会特异性地发生在与肿瘤相关的环境当中。而另一个研究又发现这种人工改造的细菌可以抑制掉肿瘤细胞内一条与肿瘤发生有关的内源性细胞通路。

还有一些科学家在尝试制造可专门杀死癌细胞的微生物，这些微生物进入人体后会找到并释放药物杀死癌细胞，完成任务后又能够自身溶解。紫杉醇是一种强效抗癌药物，化学合成法需要51个步骤。美国麻省理工学院（MIT）化工系格雷格里·斯特凡诺普洛斯（Gregory Stephanopoulos）研究组，利用大肠杆菌合成紫杉醇。他们将紫杉烯代谢途径分成两个模块：一个是大肠杆菌自身生成的异戊烯焦磷酸的上游模块，另一个是异源的下游萜类化合物形成模块。用一种多变量模块化的代谢途径工程方法，通过调整模块中各种基因元件的表达水平，减少中间物抑制物吲哚的累积，使得两个模块能很好平衡匹配，结果成功地使紫杉二烯（紫杉醇的前体物）的产量达加到1克/升，与改造前菌株制相比，提高了15 000倍！这种模块化的途径工程方法，为紫杉醇及萜类天然产物的大规模生产奠定了基础。

③在疫苗开发中的应用

疫苗开发工作一直都进展缓慢，这主要是由于存在以下几点制约因素，其中包括使用减毒的致病微生物的风险，以及难以改变疫苗靶点特异性的问题等。为了解决这些问题，在疫苗开发工作中也引入了合成生物学技术。

他们使用了人工合成的脂质体（这是一种人工合成的脂质双分子层构成的载体），并用这种载体包裹重组的细菌转录翻译系统（bacterial transcription-and-translation network）和编码实验抗原半乳糖苷酶的DNA分子合成了疫苗。这套系统在体外试验中可以成功表达有功能的实验抗原。在小鼠体内，这种人工疫苗也能够表达半乳糖苷酶，而且和对照组疫苗（即分别只包裹了实验抗原、细菌转录翻译系统或DNA编码分子的脂质体疫苗）相比，实验组疫苗引起的体液免疫反应更强。我们只需要用编码实验抗原的DNA片段或者其它目的片段就可以得到不同的疫苗，简单易行。而且这种疫苗绝对不存在减毒疫苗的安全性问题。如果将人工合成环路技术（synthetic circuit）与最近在疫苗开发工作中取得重大进展的基因组改造技术（genomic engineering）相结合，还能取得更大的突破。

④在微生物组改造中的应用

人体微生物组（human microbiome）指的是与人体相关的所有微生物的总和，这是一个复杂的生态系统，它们的存在让原本已经非常复杂的人体生理调控机制变得更加复杂。人体微生物组大约有1000多种组成微生物，加起来比组成人体的细胞还要多出10倍至100倍。由于这些人体微生物长期与人体生活在一起，所以它们大部分都属于共生微生物（commensal microorganism），所以也是绝佳的载体工具，可以用于运送各种人工合成的遗传元件。各微生物种群之间以及内部的相互作用也是微生物组交流过程中非常重要的一部分，这也是可以利用的一套机制。

我们还可以将人体的微生物组当作载体，直接向人体运送各种治疗分子。例如有人改造了一些共生菌，让其表达一些重要因子，治疗疾病；又例如可用于糖尿病治疗的促胰岛素蛋白（insulinotropic protein）、可预防HIV病毒感染的HIV融合抑制肽（HIV fusion inhibitor peptide）以及用于免疫治疗的白介素2（interleukin-2）等。

虽然这些药用分子在试验中都能够得到不错的表达，但这还远远不够，还需要应用合成生物学技术加以改进。比如，可以再加一个类似于启动子一类的装置控制这些药用分子的表达，这样就可以在紊乱的或者病理的等各种不同的情况下有目的地表达这些分子，做到有的放矢，进而减少人工细菌的代谢压力，促使它们被人体微生物组所接纳。

⑤在细胞疗法和再生医学领域的应用

“细胞疗法”（cell therapy）指的是将某些细胞当作药物，植入人体之后达到治疗疾病的目的。这是一种非常有前途的治疗方法，不过目前由于暂时还无法在细胞植入人体之后对细胞的行为和表型进行精确的控制，所以还未能成为一项常用的治疗措施。如果在细胞植入之前先对其进行改造，加上一些人工合成的控制元件则有望解决这个问题。

如果要想用细胞疗法取得非常好的治疗效果，就必须要能够对细胞内的特定基因进行比较精准的调控。为了解决这个问题，科学家们最近设计了一种可调的、模块化的哺乳动物遗传开关。

这套开关可以诱导基因表达，而且同时也会关闭RNA干扰元件，促使基因大量表达。这套开关的抑制效率可以超过99%，当然它的打开功能也十分强大，可以让目的基因大量表达。

这套开关系统的另一大优势就是模块化结构，所以可以很方便地进行改造，应用于任何基因，甚至还有可能应用于组织层面，只需在遗传开关中加入组织特异性的启动子即可。

这套可调的、可逆的、调控严密的哺乳动物基因表达调控系统已经在小鼠细胞和人体细胞当中验证过。

（本文未完待续，敬请关注下期）

[1] 奇云. 合成生物学指引我们向何方[J]. 生命世界, 2011(5):16-19.

[2] 奇云. 只要能够想到,就能合成创造。来自合成生物学的诱惑[J]. 科技潮, 2012(3):64-67.

[3] 奇云. 人造流感病毒又一潘多拉魔盒?[J]. 科技潮, 2012(4):64-65.

[4] 奇云. 人类,你是造物主吗[J]. 科学之友, 2003(3):4-6.

[5] 奇云. 人造生物的喜与忧 [J]. 海峡科技，2003（4）：18.

[6] 奇云. 人类健康面临的新挑战[J]. 世界科学, 2001(3):20-21.

[7] 奇云. 合成生物学研究的新进展[J]. 卷宗, 2011(6):91-92.

[8] 奇云.合成生物学走向新时代（N）.中国社会科学报，2011年4月14日第179期12版.

[9] 奇云. 人工合成病毒引发恐慌[J]. 发明与革新, 2002(11):34-35.

[10] 奇云.人造生物的命运会怎样?[J].大科技：科学之谜（A）,2003(2):34-35.

备注：

1、参考文献仅列出作者在科技期刊公开发表的与本文相关的文献。

2、以上参考文献的全文，可在国内外多家文献数据库浏览或下载。

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