合成生物学

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，近年来合成生物物质的研究进展很快。合成生物学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。合成生物学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（artificialbiosystem），让它们像电路一样运行。中文名:合成生物学外文名:syntheticbiology提出者：HobomB.提出时间:1980年目录1简介2理论背景3发展历程4应用前景5发展的重要性6发展现状简介合成生物学（syntheticbiology），最初由HobomB.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。合成生物学是指人们将“基因”连接成网络，让细胞来完成设计人员设想的各种任务。例如把网络同简单的细胞相结合，可提高生物传感性，帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置。再如向网络加入人体细胞，可以制成用于器官移植的完整器官。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。合成生物学的研究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。“合成生物学”更早可追踪到波兰科学家WaclawSzybalski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。理论背景依据自组织系统结构理论[1]-泛进化论（structurity,structuretheory,pan-evolutiontheory），从实证到综合（synthetic）探讨天然与人工进化的生物系统理论，阐述了结构整合（integrative)、调适稳态与建构（constructive）层级等规律；因此，系统（systems）生物学也称为“整合（integrativebiology）生物学”，合成（synthetic）生物学又叫“建构生物学（constructivebiology）”（ZengBJ.中译）。系统与合成生物学的系统结构、发生动力与砖块建构、工程设计等基于结构理论原理，从电脑技术的系统科学理论到遗传工程的系统科学方法，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。合成生物学（syntheticbiology），也可翻译成综合生物学，即综合集成，“synthetic”在不同地方翻译成不同中文，比如综合哲学（syntheticphilosophy）、“社会-心理-生物医学模式”的综合（synthetic）医学（genbrainbiosystemnetwork-中科院曾邦哲1999年建于德国，探讨生物系统分析学“biosystemanalysis”与人工生物系统“artificialbiosystem”，包括实验、计算、系统、工程研究与应用），同时也被归属为人工生物系统研究的系统生物工程技术范畴，包括生物反应器与生物计算机开发。“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”[2]。系统（system）、整合（integrative）、合成（synthetic）或综合生物学各有偏重点，系统（system）、结构（structure）、图式（patten）遗传学也存在偏重点，但整个属于系统生物科学与工程领域。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。计算机科学中的图形识别被翻译成“模式”，但生物学中又有将“modelanimal”翻译成模式动物，在认知心理学和发育生物学中也有的翻译成“图式”；因此，综合翻译成“图式”（patten），而且也包括了“系统（scheme或system）”与“完形（gestalt或configuration）”等含意。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。1997年曾邦哲（ZengBJ.）设计与操作的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[3]，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。发展历程编辑早期的安全性应用的合成生物制药可能会适当处理现有的管架构，生物医药，特别是在载实验室和生产设施。但是，进一步发展在这一新兴领域有可能带来重大的挑战，美国政府的监督，根据一份新的报告作者迈克尔Rodemeyer弗吉尼亚大学的。合成生物学的承诺重大进展的领域，如生物燃料，特种化学品，农业和生物药物产品。在新的生活，旧瓶装：调节第一代产品的合成生物学，Rodemeyer审查优点和缺点使用美国现有的监管框架的生物技术，以支付新产品和新工艺启用的合成生物学。据Rodemeyer，初步合成生物学的产品将相对简单的修改目前的技术和才能解决现有的生物技术法规只有少量的修改。合成生物学的研究然而，随着技术的发展，监管机构，如环境保护局和食品与药物管理局将面临挑战，评估潜在的风险和是否有足够的控制，特别是如果复杂的合成微生物释放到环境中。今天的风险评估的做法和法律，如有毒物质控制法和联邦食品，药品和化妆品法案，根本不是设计来处理二十一世纪的科技进步。“在合成生物学的成熟，美国国会和政策制定者应该考虑如何合理化和现代化的管理新的融合技术，而不是试图鞋拔子每一个新的领域的技术发展到原有法律书面的一组不同的问题和潜在的风险，”Rodemeyer争辩。“这将是容易贬谪讨论监督次要。但是拖延承担风险。富有成效的对话可能会变得更加困难作为合成生物学的发展和利益相关者成为他们的意见分歧有关利益和风险。在现行的监管架构是为生物技术自然起点合成生物学监督。但最好的框架是拼凑而成棉被，几十年旧准则和法律，可能会阻碍创新，削弱了公众的信任，承诺和妥协的好处synbio说，“大卫Rejeski，主任展望与治理项目，伍德罗威尔逊国际学者中心。“决策者，工业，和其他关键利益相关方应立即开始讨论的基本问题，不论是现有的法规将与先进的合成生物学，如果没有，什么样的变化，可能需要确保安全的开发和应用科学。”拉特瑙研究所的一个单位，荷兰皇家艺术和科学院，描述synbio作为融合的分子生物学，信息技术和纳米技术，从而导致系统设计生物系统（biosystem）。美国被认为是世界领先的这一新兴科学领域。卢克斯研究，然而，政府的资金索赔更协调在欧洲，由欧洲合成生物学联盟的第六框架计划（第六框架），它提供数百万欧元的资金synbio研究。公司和风险资本家的投资数亿美元的资金进入初创喜欢Amyris，LS9和Gevo。有人估计，到2015年，有五分之一的化学工业（价值一万八点零零零亿美元）可以依赖合成生物学。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。微软公布了资讯产业10年后的预测短片，让人们对未来有无限的想象。然而，你能想象10年或20年后的生物学与生物科技又会是什么面貌吗，合成生物学（syntheticbiology），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（WaclawSzybalski），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。合成生物学可能源自于发现能“剪接”DNA的酵素之时。合成生物学的研究1978年，诺贝尔生医奖颁给发现DNA限制酶的纳森斯（DanielNathans）、亚伯（WernerArber）与史密斯（HamiltonSmith），当时斯吉巴尔斯基在《基因》期刊中写了一段评论：限制将带领我们进入合成生物学的新时代。利用限制剪接DNA的方式，分子生物学家得以分析各个基因的功能，并将观察的结果记录下来，成为各个基因的功能性描述。这样的工作正由全世界数以万计的科学家进行中，为人类累积对生命与基因组的了解。然而，可预见的未来是，新的合成或复合生命体可能由此诞生。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“genomicintelligence”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“artificialbiosystem”概念图，以之区别于“artificiallife”，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。《科学美国人》（ScientificAmerican）杂志编辑比艾罗（DavidBiello）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（operatingsystem）。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（trialanderror）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