第322次香山科学会议研讨“合成生物学”

日前，香山科学会议第322次学术讨论会在北京召开，会议主题是“合成生物学”。中国科学院张春霆院士和华泰立教授分别以“学术背景、研究内容、进展情况与前景展望”和“Overview  and  Perspectives”为题作了主题评述报告，全面介绍了国内外合成生物学研究进展。

  

“合成生物学”是国际上刚刚出现的一门新生学科，它是用有机化学及生物化学的合成能力去设计非天然的、合成的分子，进而使这些分子在生命系统中有活性功能。美国、欧盟等发达国家对“合成生物学”的发展十分重视，纷纷建立各种发展规划，加大专项支持力度。目前，我国在基因工程、代谢工程、生物信息学、系统生物学及各种组学研究等与合成生物学密切相关的研究领域已经有良好的基础并正在迅速发展。



香山科学会议第322次学术讨论会综述





        　　生物学是一门相对年轻的研究领域，在本世纪初才逐步走向生命科学研究的前沿。2004年合成生物学被美国MIT出版的《Technology  Review》评为将改变世界的10大新出现的技术之一。短短几年的实践已证明该预见的正确性。



        美国国家自然科学基金（NSF）2006年投入2000万美元资助建立“合成生物学工程研究中心”，由UCB、哈佛大学、MIT、加州大学旧金山分校(UCSF)等共同组建。欧盟2007年启动了“合成生物学”—新的及刚出现的科学技术引导项目(European  Commission  project  II)，涉及上述报告中各方面的18个项目。



        我国在合成生物学方面的研究还在起步阶段，但是在生物学相关技术的研究与应用方面，如基因组测序技术、DNA合成技术、基因组改造技术、系统生物学、生物信息学等已经有了许多积累，可以说在合成生物学领域与发达国家几乎处在同一起跑线上。但是，我国在合成生物学方向的研究还处在零星研究阶段。



        以“合成生物学”  为主题的第322次香山科学会议于2008年5月12—13日在北京召开。由美国加州大学圣地亚戈分校华泰立（Terry  Hwa）教授、清华大学生物系的孙之荣教授、香港浸会大学汤雷翰教授、天津大学的张春霆教授和中国科学院微生物所魏江春教授任本此次会议执行主席。本次香山科学会议意在对这一刚刚出现不久的生物学前沿领域进行探讨，研讨合成生物学关键科学问题和可能的应用领域。天津大学生命科学研究院张春霆院士、美国加州大学物理系华泰立（Terry  Hwa）教授分别作了主题报告；11位专家做了专题报告，与会专家围绕合成生物学前沿探讨等中心议题进行了深入讨论。



        张春霆教授做了题为“合成生物学：学术背景、研究内容（含进展情况）与前景展望”的主题报告。介绍了合成生物学的学术背景、内容与进展情况以及伦理道德问题与前景展望。张春霆教授指出近代科学技术的发展都遵循着一个从数据积累到科学发现再到理论诞生乃至应用的过程。第一次科学浪潮以天文学家第谷积累的天象观测数据为出发点，开普勒对其进行了详细分析而得出了行星运行的三大定律，牛顿综合前两者的工作，提出万有引力定律，为后来航空航天技术的发展奠定了理论基础。第二次及第三次科学浪潮涉及化学与化工、量子力学与材料及信息技术的发展。本世纪生物科学技术的发展则可视为第四次科学浪潮。人类基因组计划以及各种生物组学提供了大量的有关生命系统的数据，生物信息学的发展为各类数据的归纳与整合提供了强有力的工具，系统生物学则旨在揭示细胞内分子运动的普遍规律，合成生物学则将对生物领域的基础研究转化为实际的社会生产力，解决能源、材料、健康和环保等问题。他从四各方面介绍了合成生物学与系统生物学的部分近期研究工作，包括细胞网络、基因线路、合成生物材料与物质、最小基因组与合成生物，特别指出了合成生物学的生物安全与伦理道德问题以及国际近期关于此方面的讨论。在报告的最后，张春霆教授强调了合成生物学在对人类认识生命、揭示生命的奥秘、重新设计及改造生物等方面具有重大的科学意义。基因组测序技术及DNA合成技术正在快速发展，人们认为合成生物学将会像信息技术一样得到迅速发展，并将在能源、化学品、材料、疫苗等领域得到广泛应用，具有巨大的社会效益及经济效益。总之,  如果说基因工程代表了上一代生物技术的话，合成生物学则代表了下一代的生物技术。



        美国加州大学物理系华泰立（Terry  Hwa）教授做了题为“合成生物学综述”的主题报告。他从历史的角度出发，将合成生物学所带来的生物技术革命的重要性与19世纪在欧洲发生的工业革命和20世纪下半叶在美国发生的信息革命相类比。过去，在以传统方法改良作物方面我们国家取得了很大的成就，杂交水稻就是其中的杰出代表。与此不同，合成生物学的核心是在分子水平上对生物系统进行操控，以满足农业、工业、医学发展的需求。目前，通过各种合成生物学会议的讨论以及iGEM竞赛的推广，合成生物学已经引起了国际社会的广泛关注。合成生物学究竟应包含哪些内容及如何发展，尚有不同的思考和辩论，通过具体事例更容易看清其中的科学问题与挑战。华教授仔细讨论了Jay  Keasling教授广受瞩目的抗疟药物青蒿素微生物工业化合成的研究工作。虽然已有的生物技术足以将有关代谢途径嫁接到大肠杆菌上，但要达到实用的经济效益，其产量必须有七个数量级的提高。经过多年的不懈努力，这项科学难题终于在Keasling教授的实验室被攻克。在研究过程中，Keasling教授领导的小组对有关代谢途径作了重新设计，解决了天然或非天然代谢物大量积累对寄主的毒性问题，并对改造后的微生物用变异进化法进行优化筛选，最终将青蒿素合成的成本降低了十倍。为表彰Keasling教授的杰出成就，美国Gates基金会授予他四千二百六十万美元继续抗疟研究，英国石油公司和美国能源部分别拨给Keasling教授所在的UC  Berkeley和Lawrence  Berkeley国家实验室五亿美金和三亿七千五百万美元从事生物能源研究。华教授接着介绍了美国有关将生物质量（如纤维素）转变为能源的讨论，其中一个关键是提高光合作用的效率。自然界利用光子将二氧化碳转换成乙醇的能量利用效率仅达0.5%。若能利用光合作用分解水来获得氢气，便可实现无碳循环并大大提高光能的转换效率。此类代谢途径虽然在藻类生物中存在，但要达到工业生产要求尚需解决脱氢酶的活性，电子输运控制等一系列关键科学问题。合成生物学的重大突破，需要我们对其载体¾微生物有透彻的和定量化的了解，为工业微生物的开发提供坚实的科学基础，而这方面的研究队伍正是目前国际国内合成生物学发展最为薄弱的环节之一。研究者必须对自然界数亿年进化形成的生命系统的复杂性（特别是其错综复杂的相互作用与控制）有充分的认识。外来的系统或改变，特别是为了提高生产效率而对生物体固有体系带来的极大的压力，往往极度破坏其生存所需的平衡，改变其生理状态。如何解决好这类矛盾，是合成生物学中一个具有普遍意义的科学问题，也是合成生物学与系统生物学的重要结合点。从以上的实例与思考出发，华教授为我国合成生物学的发展提出了若干建议。在基础学科的建设方面，应大力发展微生物的跨学科定量研究，组成多学科合作的研究团队，确定具体的研究对象和研究目标，力争近期取得突破，在学科发展及国际竞争中取得先机。建立国家级的合成生物学研究中心或研究所是集中优秀人才打攻坚战的一个有效途径。在相应的技术平台的建设方面，大规模DNA合成将成为合成生物学的核心技术，其意义可与计算机芯片制造相比，国家应大力发展。相配套的大规模测序、代谢分子检测、集成微流反应器等核心技术也应同步发展。最后，华教授再次呼吁将合成生物学提升到关乎国民经济发展和人类文明进步的战略高度来思考，抓住这百年一遇的机会，使我国在即将来临的生物技术革命中取得领先地位。



        张春霆与华泰立教授的报告引起了与会代表们的热烈讨论。施一公教授提出合成生物学的发展需要若干中心技术的建立与发展，国家级的计划与投入十分重要，应真正做起来并做好，适当时候也可引进人才。来鲁华教授结合北大理论生物中心的经验谈到建立研究团队的重要性。赵国屏教授强调了科研机制的改革以适应发展的需求。



        专题报告涉及以下问题：



        合成生物学在工业生物技术中的应用：发展工业生物技术，寻求化石资源的替代已经成为社会经济可持续发展的重大战略方向，并且利用合成生物学的技术进行改造有助于工业生产降低能耗提高产率；欧阳颀教授向大家介绍了北大2007iGEM队的工作之一“合成生物开关”。结合他的课题组在生物网络理论研究和参加iGEM比赛的经验，欧阳教授认为合成生物学关键要提高对于功能模块动力学的定量描述，同时他认为合成生物学是一门多学科交叉的学科，需要细胞生物学，生物信息学，化学，物理，非线性动力学等多学科领域的专家；关于“合成生物学：我们所面临的机遇与挑战”的报告。从Jay  Keasling用大肠杆菌合成生产青蒿素的出色工作出发，在对其进行充分肯定的同时，也指出了它所暴露的理性设计所带来的局限性。这种局限性之所以存在，究其原因是我们对生物体了解太少，导致理性设计缺乏依据；在“合成生物学中的两个重要问题”的报告中对合成生物学中标准化的模块及新模块的设计、网络的调控和控制两个问题进行了阐述；“合成生物学:构造新生命及其应用”的报告指出，合成生物学作为基于基因工程和生物线路的一门新兴的交叉学科，从最基本的要素建立生物体，逆自然世界的过程重塑生命，进而按照人类的目的设计并创造新的生命部件、功能单位乃至生命体系，完成对现有的生命体进行有意义的改造，赋予其新的功能；“新一代工业生物催化与转化”的报告中着重指出：立足实际，从可持续发展的角度去考虑我国的发展情况，就必须大力发展合成生物学这一新兴学科，建立健全一套科学而且完备的生物质循环经济，从而解决我国在食品、能源、环保上所遇到的种种问题；构建生物质分级利用的科学体系，通俗地讲就是逐步做到“好的拿来吃，差的拿去用”，逐层提炼经济效益较大的成分；与会专家结合已发表的科研成果，论证了利用合成生物学的方法来制作疫苗以及生物盾牌(可用于艾滋病的预防)的可行性；同样，对于癌症的治疗及预防，合成生物学也展示了广泛的应用前景。



        鉴于合成生物学的重要性和发展我国合成生物学相关研究的急迫性，与会专家希望国家高度重视合成生物学这一新兴科学。目前我国在合成生物学方面的研究还处于起步阶段，但是在生物学相关技术的研究与应用方面，如基因组测序技术、DNA合成技术、基因组改造技术、系统生物学、生物信息学等已经有了许多积累，可以说在合成生物学领域与发达国家几乎处在同一起跑线上。