合成生物学：操纵生物制造业

　　如果有一天，自然界中的各种生物可以直接用来充当生产产品的机器或者车间，那么，工业生产或许会发生翻天覆地的变化。

　　现如今，这一完美的构想正在逐步落地。

　　自从生物产业被列为国家战略性新兴产业加以培育后，生物制造业也加快了取代化工产业的步伐。而合成生物学由于能够通过人工设计和构建自然界中不存在的生物系统，来解决能源、材料、健康和环保等问题，也被科技部列为《现代生物制造科技发展专项规划》中的核心技术之一。

　　随着合成生物学的发展，或许在不久的将来，生物学家操纵基因工程就像工程师设计机器部件一样，通过改造生物性状就能够得到我们想要的产品。

　　新生命的合成

　　可以说，人类今天的衣食住行能够得到满足，以石油工业为基础的化学合成功不可没。然而，随着工业化进程的加快，问题也接踵而至。化学工业的发展不仅给自然环境带来威胁，甚至悲观人士还认为，长此以往，地球上化石能源耗尽也是迟早的事。

　　为了缓解环境及能源危机，生物资源的潜在利用价值越来越多地被挖掘出来。以生物质为原料或以生物体机能进行大规模物质加工与转化的生物制造业，成为各国的战略重点。

　　而在诸多生物制造的关键技术中，合成生物学由于能够根据人类需要重塑生命体，成为最具诱惑力的研究领域。在Science杂志评出的2010年十大科学突破中，合成生物学排在了第2位。

　　合成生物学是将分子生物学、基因组学、信息技术和工程学交叉融合而产生的一系列新的工具和方法。它就像一个能够提供成套遗传基因组件的“工具箱”，可以将生物学版本的“晶体管”和“开关”随心所欲地插接到“生物电路”上。

　　清华大学生命科学学院教授陈国强对记者表示，合成生物学强调的是“设计”和“重设计”。一方面，设计和建造新的生物零件、装置和系统;另一方面，根据实际需要，重新设计已有的天然生物系统。而“新生命的合成”也是合成生物学的关键，通过新生命的合成扩大生命的能力，更好地为人类服务。

　　中国科学院院士赵国屏则认为合成生物学具备重塑工业生产方式的潜力，与商业化距离极近。他举例称，现在科学家正在试图创造的“细菌药厂”、“细菌油田”，或者让人造细菌去攻击癌细胞以及处理环境污染，都需要合成生物学的参与。

　　“总的来说，合成生物学给未来指明了一条提高工业生物技术竞争力、降低生物制造成本、改造生命体的可能的道路。”陈国强说。

　　技术发展提速

　　目前，合成生物学已经在生物医药、生物能源、化工品、环保等领域“大施拳脚”。国际上最为成功的案例莫过于美国加州大学教授Keasling工业化合成青蒿素这一经典之作。

　　青蒿素是中国人首先发现的抗疟疾良药，由于天然的青蒿素需要从青蒿中提取，工艺复杂且成本较高，产量也十分有限。而Keasling利用合成生物学手段，在大肠杆菌和酵母中合成出青蒿素的前体物质——青蒿酸，大幅增加了青蒿素产量，也使得每一剂量的药品成本从10美元降至不到1美元。

　　而对于我国来讲，随着微生物学、遗传工程、材料科学等技术的发展，合成生物学的工业应用也取得了一系列可喜的进展。

　　光合蓝细菌由于具有利用太阳能固定CO2、营养需求低、生长迅速、遗传背景简单等良好特质，成为生产可再生燃料和精细化学制品的最佳自养型人工“细胞工厂”。

　　据陈国强介绍，天津大学教授张卫文的研究组就通过合成生物学策略，优化了光合蓝细菌底盘，提高了光合效率及耐受性，使该菌类更具工业应用价值。

　　而另一类重要的工业微生物“产溶剂梭菌”，也是溶剂制造业中的重要菌种。如何通过遗传改造优化其发酵性能一直是该行业的重要课题。然而，由于产溶剂梭菌遗传操作工具并不完善，研究长期受限。对此，中科院上海生命科学研究院研究员顾阳等人通过重构产溶剂梭菌的某些重要的代谢途径，进而改进其性状，最终提高了目标产品的生产能力。

　　不仅如此，合成生物学还对基因合成能力提出了迫切需求。为此，中科院天津工业生物技术研究所研究员田敬东等人开发出基于微芯片的基因合成技术，目前正在向着高通量、高保真、自动化的方向发展。

　　此外，中科院大连化学物理研究所研究员赵宗保成功以酿酒酵母为宿主，构建出香紫苏醇的人工生物合成途径，在摇瓶培养条件下，组合优化得到的工程菌株S6的香紫苏醇产量达到8.96 mg/L。而陈国强的课题组也通过合成生物学，合成出一系列具有不同特征的生物新材料。

　　仍面临挑战

　　实际上，基于合成生物学的生物制造业多数还未完全实现，由于生命分子的运作机制极为复杂，要想操纵它远不是操纵扳手、螺丝刀或晶体管那样简单，合成生物学发展的每一段过程都面临着挑战。

　　在南京工业大学生物与制药工程学院教授陈怡露看来，目前，生物学对结构复杂的生物个体以及生物机理的认识还都不够充分。另外，由于用于生物制造的生物元件标准化未完善，生物模块之间及模块与“底盘”细胞之间的兼容性都不可预测，复杂性也难以处理。

　　也就是说，许多生命“零部件”的特征和功能都尚未得到清楚的描述，比如它们的功能是什么，在不同类型的细胞内，或在不同的实验室条件下，它们是否会有不同的表现等等。

　　而这也是陈国强指出的“新生命的合成”所面临的挑战。“比如把相关基因拼到一起之后，可能会合成出一个微生物的代谢通路，但是它却并没有按照预期目标大量合成所需要的产物。”

　　同样，即使每个生物零部件的功能都已知晓，但将它们组合在一起后，其功能也不一定就如预期那样。与其他可预测性更强的现代工程学科的设计过程相比，合成生物学家往往必须埋头于烦琐的试错过程中。

　　就像西班牙巴塞罗那基因组调控中心系统生物学家路易斯·塞拉诺曾经所说：“我们就像当年发明飞机的莱特兄弟那样，用木头和纸反复实验。用一种东西制造出来试飞一下，掉下来坠毁后，就再用另一种试，或许会飞得稍好一点。”