前沿展望 合成生物学的5大挑战（三）

本世纪生物科学技术的发展被视为第四次科学浪潮，“合成生物学”被誉为：将生物领域基础研究转化为实际社会生产力的学科。这一连接基础学科与实际应用学科的领域，这一门新生学科存在哪些挑战，Nature一篇社论文章也许会给您找到答案。



近期，不仅Nature推出合成生物学（synthetic  biology）展望文章，《Cell》也在不久前刊发了合成生物学的观察文章，有兴趣的读者可以查看生物通的前期报道：《Cell》前沿展望  合成生物学重塑生命  



“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。合成生物学的最终目标是重塑生命。



“合成生物学”的先决条件在于，生物学家破解生命运行规律，再谈人造生物系统，这一切目前还是初步的构想。人造生物系统工程学与机械工程学相比，更为复杂、更为精细。



据文章作者介绍，生物合成学的研究模式为：掌握生命系统控制各种功能的遗传序列特征；将各个复杂的部件窜在一起组成复杂的生命系统执行复杂的生命功能；将人工设计的复杂系统插入载体细胞中。正如所有的生命都建立在遗传序列基础上一般，生物合成学专家必须从序列研究开始，对各种序列的特征功能进行全面详细地了解。



Biodesic公司工程与设计首席顾问Rob  Carlson表示，这还不是合成生物学的全貌，还有很多具有多种功能的小分子需要科学家们去了解。这将是横亘在“合成生物学”面前的鸿沟。据Rob  Carlson介绍，目前合成生物学领域存在5大挑战。本文将以连载形式，介绍这5大挑战。



挑战三  难以预计的复杂性



在整个生物世界中，生命系统从低到高越来越复杂，越向上走，越困难。Keasling的研究团队就曾尝试将12个基因组合起来，用于制造抗疟疾的青蒿素合成药物，这也许是合成生物学领域中最经典最成功的案例。Keasling表示，这一工作几乎是150人1年工作的结果，这些工作包括，探究每个基因的功能、探究这些功能基因组合在一起的运作机制。比如说，在合成这个青蒿素的过程中，找到有效促进抗疟疾功效，且对人体无害的方案十分艰难。



Reshma  Shetty表示，人们也许想不到这些困难有多少，做任何一个合成生物学的项目不仅需要花费巨大的精力，还得花费大量的金钱。Reshma  Shetty是波士顿Ginkgo  Bioworks公司的创建者之一，他表示，目前，公司已经设计了一个自动化的软件，用于设计基因的标准组建方式，通过标准化的流程来设计基因组组合模式。



在伯克利，合成生物学家J.Christopher  Anderson和他的同事正在开发一个人工细菌系统。他们用大肠杆菌E.Coli，他们改造大肠杆菌，这些改造过的大肠杆菌被称为：assembler  cells，它们的基因组框架中插入一些新的基因，表达一种特殊的酶，这些酶可以剪切DNA序列或是关闭开启某些基因。另外，他们还设计了一个担任筛选角色的人造大肠杆菌，这些大肠杆菌可针对不同的分泌物来将assembler  cells进行分类，并进行筛选，选出符合合成生物工程师需要的菌株。据Anderson介绍，这个人工细菌系统可将大大提高合成生物的效率，将合成设计筛选的过程从2天缩短到3小时。



当然，越是高级的生物系统，所遭遇的困难越是难以预计，因为，有太多的条件和因素需要计算。合成生物专业公司的崛起，可能为合成生物学的研究带来更多的便利。



（生物通  张欢）