人類進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，一門新興的交叉學(xué)科“合成生物學(xué)”成為國(guó)際科學(xué)前沿一大熱門。

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(xì)胞，專一攻擊癌細(xì)胞;創(chuàng)制載有人工基因組的“人造細(xì)胞”，探究生命進(jìn)化之路;利用DNA儲(chǔ)存數(shù)據(jù)信息并開(kāi)發(fā)生物計(jì)算機(jī)……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(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境和健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)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(fù)雜的物質(zhì)存在。人類自誕生以來(lái)，就在認(rèn)識(shí)生命的漫漫長(zhǎng)途中上下求索。從中國(guó)古代的《黃帝內(nèi)經(jīng)》和《本草綱目》，到西方近代博物學(xué)家對(duì)動(dòng)植物分類，人類對(duì)于生命現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，都是從對(duì)生命體的“宏觀”觀察、“表觀”描述而獲得的經(jīng)驗(yàn)型邏輯總結(jié)。另一方面，對(duì)于譬如尿素之類的“有機(jī)物”，化學(xué)家們也認(rèn)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(guó)化學(xué)家弗里德里希·維勒無(wú)意在無(wú)機(jī)實(shí)驗(yàn)中合成了尿素，揭開(kāi)了人工合成有機(jī)物的“合成化學(xué)”序幕。也就是從19世紀(jì)后期到20世紀(jì)前半葉，基于數(shù)理化技術(shù)與方法的實(shí)驗(yàn)科學(xué)催生了認(rèn)識(shí)生命共同本質(zhì)的細(xì)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，則最先將人類對(duì)生命的認(rèn)識(shí)，提升到了理論的高度。

20世紀(jì)中葉，隨著DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，分子生物學(xué)“中心法則”的確立，人類開(kāi)始找到生命現(xiàn)象的“密碼本”。而生命另一類基本分子，具有生理活性的蛋白質(zhì)牛胰島素一級(jí)結(jié)構(gòu)的解析，直接導(dǎo)致了我國(guó)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(cè)序技術(shù)的建立，實(shí)現(xiàn)了人類“讀基因”的夢(mèng)想;DNA重組技術(shù)的建立，實(shí)現(xiàn)了人類“寫(xiě)基因”的夢(mèng)想;再加上在基因定向突變與敲除基礎(chǔ)上的“編基因”夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)，分子生物學(xué)及基因工程技術(shù)在上世紀(jì)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(jì)末，人類基因組計(jì)劃帶來(lái)了第二次革命，實(shí)現(xiàn)了基因組的全面“解讀”，人類對(duì)生物體組成和生命規(guī)律的認(rèn)識(shí)達(dá)到了前所未有的系統(tǒng)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(zhuǎn)入另一種支原體細(xì)胞中，獲得可正常生長(zhǎng)和分裂的“人造生命”，實(shí)現(xiàn)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(xì)胞……人類掌握了“讀”“寫(xiě)”“編”基因組的技術(shù)手段，獲得了設(shè)計(jì)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(rèn)識(shí)(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(yàn)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(nóng)業(yè)體系，都是利用當(dāng)時(shí)的生物認(rèn)識(shí)和生物技術(shù)，造福人類的典型工程實(shí)踐。今天，怎樣利用對(duì)生命“密碼本”的認(rèn)識(shí)及對(duì)其“編寫(xiě)”的手段，改造自然、造福人類?21世紀(jì)初，科學(xué)家們將工程科學(xué)的研究理念融入現(xiàn)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(tǒng)表征自然界具有催化調(diào)控等功能的生物大分子，使其成為標(biāo)準(zhǔn)化“元件”，到創(chuàng)建“模塊”“線路”等全新生物部件與細(xì)胞“底盤”，構(gòu)建有各類用途的人造生命系統(tǒng)。這一與系統(tǒng)生物學(xué)“自上而下”解析理念相反的合成理念，也將我們習(xí)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(cè)”的祖先物種或分子體系，將可能被合成，并加以定向的詮釋;而被各種“假說(shuō)”“對(duì)照”分割研究的復(fù)雜生命現(xiàn)象，也可以實(shí)現(xiàn)整合的定量研究，解析因果機(jī)制。

合成生物學(xué)采用工程學(xué)“設(shè)計(jì)—合成—測(cè)試”的研究方法，在學(xué)習(xí)抽象自然生命系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，或?qū)ψ匀簧锵到y(tǒng)“重編程”，或重頭設(shè)計(jì)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(yàn)方法來(lái)構(gòu)建，再對(duì)構(gòu)建出來(lái)的生物系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如此反復(fù)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(guī)模通用化工程平臺(tái)基礎(chǔ)上的合成生物學(xué)，往往也被稱為“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(xiàn)。

破解資源環(huán)境難題

賦能人類健康事業(yè)

當(dāng)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(xiàn)“社會(huì)—生態(tài)/環(huán)境—經(jīng)濟(jì)”和諧發(fā)展提供了全新解決方案。

石油是儲(chǔ)量有限的不可再生資源，遲早有枯竭的一天，這是人類生存發(fā)展必須嚴(yán)肅應(yīng)對(duì)的問(wèn)題。在理論上，絕大多數(shù)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(tǒng)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(duì)細(xì)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(zhuǎn)化為酮、醇、酸等化學(xué)品的“細(xì)胞工廠”，實(shí)現(xiàn)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(jì)模式。

隨著全球人口不斷增長(zhǎng)，環(huán)境污染加劇和氣候持續(xù)變化，人類食品和環(huán)境安全面臨巨大挑戰(zhàn)。利用合成生物學(xué)技術(shù)，創(chuàng)建適用于食品工業(yè)的細(xì)胞工廠，將可再生原料轉(zhuǎn)化為重要食品組分，這被認(rèn)為是解決食品問(wèn)題的可行途徑。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥使用量大幅增加帶來(lái)的土壤板結(jié)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(jī)污染物，也可開(kāi)發(fā)出人工合成的微生物傳感器，幫助人類監(jiān)測(cè)環(huán)境，設(shè)計(jì)構(gòu)建能夠識(shí)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(yī)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(biāo)志物監(jiān)測(cè)、干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。例如，人體腸道內(nèi)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(shè)計(jì)改造對(duì)人體有益的細(xì)菌，讓它們生產(chǎn)人體自身不能合成的維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);另一方面，可以設(shè)計(jì)出感知腸道環(huán)境變化的“智能微生物”，對(duì)人體內(nèi)的健康狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)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(xiàn)了強(qiáng)大應(yīng)用潛力。例如，利用DNA條形碼技術(shù)改進(jìn)測(cè)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(zhǔn)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(diào)節(jié)人體微生物組來(lái)激活人體免疫系統(tǒng)，提高人體抗病毒能力。

改造生命的目的，是為了更好地認(rèn)識(shí)和調(diào)控生命現(xiàn)象，使之為改善生態(tài)、提高人類生命生活質(zhì)量服務(wù)。未來(lái)，在人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)推動(dòng)下，合成生物學(xué)將賦予人類更強(qiáng)的“改造自然，利用自然”的能力，當(dāng)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(xiǎn)評(píng)估并開(kāi)發(fā)防控風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)和策略的同時(shí)，及時(shí)制定相應(yīng)的研究規(guī)范、倫理指導(dǎo)原則和相應(yīng)的法律、法規(guī)，并輔以可落實(shí)的管理規(guī)章與監(jiān)管辦法。

人類數(shù)百萬(wàn)年對(duì)于生命的探索，經(jīng)過(guò)最近兩個(gè)多世紀(jì)的三次革命，才達(dá)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(zhǎng)征第一步”。用好合成生物學(xué)的“利器”，為實(shí)現(xiàn)建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的理想作出貢獻(xiàn)，還需要投入大量心血，提升知識(shí)、創(chuàng)新技術(shù)、踏實(shí)轉(zhuǎn)化、服務(wù)需求。中國(guó)科學(xué)工作者對(duì)此責(zé)無(wú)旁貸。

(作者為中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專家委員會(huì)主任)

關(guān)鍵詞： 合成生物學(xué)