【人民日報】趙國屏:合成生物學:生命科學的“利器”

  人類進入21世紀以來,一門新興的交叉學科“合成生物學”成為國際科學前沿一大熱門。

  合成生物學,能利用大腸桿菌生產大宗化工材料,擺脫石油原料的束縛;酵母菌生產青蒿酸和稀有人參皂苷,降低成本,促進新藥研發;工程菌不“誤傷”正常細胞,專一攻擊癌細胞;創制載有人工基因組的“人造細胞”,探究生命進化之路;利用DNA儲存數據信息并開發生物計算機……作為科學界的新生力量,合成生物學進展迅速,并已在化工、能源、材料、農業、醫藥、環境和健康等領域展現出廣闊的應用前景。

  探究生命起源演化

  解讀“密碼”改造自然

  生命是世界上最復雜的物質存在。人類自誕生以來,就在認識生命的漫漫長途中上下求索。從中國古代的《黃帝內經》和《本草綱目》,到西方近代博物學家對動植物分類,人類對于生命現象的認識,都是從對生命體的“宏觀”觀察、“表觀”描述而獲得的經驗型邏輯總結。另一方面,對于譬如尿素之類的“有機物”,化學家們也認為只能由生物體在一種神秘的“生命力”作用下產生。

  1828年,德國化學家弗里德里希·維勒無意在無機實驗中合成了尿素,揭開了人工合成有機物的“合成化學”序幕。也就是從19世紀后期到20世紀前半葉,基于數理化技術與方法的實驗科學催生了認識生命共同本質的細胞生物學、生物化學、遺傳學和發育生物學,而進化論的誕生,則最先將人類對生命的認識,提升到了理論的高度。

  20世紀中葉,隨著DNA雙螺旋結構的發現,分子生物學“中心法則”的確立,人類開始找到生命現象的“密碼本”。而生命另一類基本分子,具有生理活性的蛋白質牛胰島素一級結構的解析,直接導致了我國科學家于60年代完成其全人工合成,即世界上首次人工合成蛋白質。在同一時代,DNA測序技術的建立,實現了人類“讀基因”的夢想;DNA重組技術的建立,實現了人類“寫基因”的夢想;再加上在基因定向突變與敲除基礎上的“編基因”夢想的實現,分子生物學及基因工程技術在上世紀80年代,將生命科學推向了歷史上第一次革命的頂峰。

  至20世紀末,人類基因組計劃帶來了第二次革命,實現了基因組的全面“解讀”,人類對生物體組成和生命規律的認識達到了前所未有的系統生物學的深度和定量生物學的精度。2010年,科學家合成約100萬堿基的支原體基因組,并將其轉入另一種支原體細胞中,獲得可正常生長和分裂的“人造生命”,實現了“撰寫”基因組的夢想。此后,科學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,創建出人造單染色體真核細胞……人類掌握了“讀”“寫”“編”基因組的技術手段,獲得了設計與合成生命的能力,200年前盛行于世的“生命力”學說被完全克服。

  什么是合成生物學?

  有什么樣的認識(科學)和手段(技術)就有什么樣的工程。古代,通過“嘗百草”檢驗植物藥性,建立中藥體系,通過人工馴化與優選,獲取種質資源,建立畜牧業與農業體系,都是利用當時的生物認識和生物技術,造福人類的典型工程實踐。今天,怎樣利用對生命“密碼本”的認識及對其“編寫”的手段,改造自然、造福人類?21世紀初, 科學家們將工程科學的研究理念融入現代生命科學,發展出以合成生物學為代表的“會聚”研究,促成了生命科學的第三次革命。

  合成生物學采用工程學“自下而上”的理念,打破“自然”和“非自然”的界限,從系統表征自然界具有催化調控等功能的生物大分子,使其成為標準化“元件”,到創建“模塊”“線路”等全新生物部件與細胞“底盤”,構建有各類用途的人造生命系統。這一與系統生物學“自上而下”解析理念相反的合成理念,也將我們習以為常的“格物致知”研究策略,推進到了“建物致知”的新高度。這樣,進化過程中“猜測”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”“對照”分割研究的復雜生命現象,也可以實現整合的定量研究,解析因果機制。

  合成生物學采用工程學“設計—合成—測試”的研究方法,在學習抽象自然生命系統的基礎上,或對自然生物系統“重編程”,或重頭設計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”,用實驗方法來構建,再對構建出來的生物系統進行測試,如此反復循環優化,形成了一個正向可靠的科學閉環。建筑在如此大規模通用化工程平臺基礎上的合成生物學,往往也被稱為“工程生物學”,它“建物致用”的工程能力,有望為解決健康、能源、糧食、環境等重大問題做出新貢獻。

  破解資源環境難題

  賦能人類健康事業

  當前,資源短缺、環境污染、氣候變化等全球問題日益凸顯,合成生物技術為實現“社會—生態/環境—經濟”和諧發展提供了全新解決方案。

  石油是儲量有限的不可再生資源,遲早有枯竭的一天,這是人類生存發展必須嚴肅應對的問題。在理論上,絕大多數石油化學品都能夠借助合成生物學技術制得,人們還可通過生物合成技術制造出傳統化工無法合成的新燃料。同時,合成生物學在人工固碳、利用二氧化碳方面取得進展。例如,科學家通過對細菌進行人工優化和改造,建造可將大氣中的二氧化碳轉化為酮、醇、酸等化學品的“細胞工廠”,實現二氧化碳等資源的高效綜合利用,推動建立低能耗、低污染、低排放的低碳經濟模式。

  隨著全球人口不斷增長,環境污染加劇和氣候持續變化,人類食品和環境安全面臨巨大挑戰。利用合成生物學技術,創建適用于食品工業的細胞工廠,將可再生原料轉化為重要食品組分,這被認為是解決食品問題的可行途徑。在農業生產中,氮肥使用量大幅增加帶來的土壤板結和酸化等問題,可以通過合成生物學“微生物固氮”技術得以有效解決。在環境治理領域,可以通過“定制”微生物去除難降解的有機污染物,也可開發出人工合成的微生物傳感器,幫助人類監測環境,設計構建能夠識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。

  合成生物學在生命健康領域也有廣闊的用途,不僅能夠用于天然產物等醫藥產品的生產,還能在疾病研究模型的開發、生物標志物監測、干細胞與再生醫學等領域發揮巨大作用。例如,人體腸道內具有豐富多樣的微生物,合成生物學為腸道微生物的改造提供了工具:一方面,可以設計改造對人體有益的細菌,讓它們生產人體自身不能合成的維生素等營養物質;另一方面,可以設計出感知腸道環境變化的“智能微生物”,對人體內的健康狀態進行檢測和診斷。

  在抗擊新冠肺炎疫情中,合成生物學技術發揮了重要作用,展現了強大應用潛力。例如,利用DNA條形碼技術改進測序流程、利用基因編輯技術開發核酸診斷試劑,提高診斷的準確性和靈敏度。利用合成生物學技術還可以尋找潛在的小分子藥物、開發疫苗,以及通過調節人體微生物組來激活人體免疫系統,提高人體抗病毒能力。

  改造生命的目的,是為了更好地認識和調控生命現象,使之為改善生態、提高人類生命生活質量服務。未來,在人工智能和大數據等新技術推動下,合成生物學將賦予人類更強的“改造自然,利用自然”的能力,當然,同時也會帶來社會倫理與安全等新問題。我們必須在思想上明確該做什么,怎么做才是正確的;在做好風險評估并開發防控風險的技術和策略的同時,及時制定相應的研究規范、倫理指導原則和相應的法律、法規,并輔以可落實的管理規章與監管辦法。

  人類數百萬年對于生命的探索,經過最近兩個多世紀的三次革命,才達到了“合成生物學”的高度,形成了工程化的能力。然而,這只是“萬里長征第一步”。用好合成生物學的“利器”,為實現建設社會主義現代化強國的理想作出貢獻,還需要投入大量心血,提升知識、創新技術、踏實轉化、服務需求。中國科學工作者對此責無旁貸。

  《人民日報》( 2020年11月17日 第 20 版)

  文章鏈接:http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2020-11/17/nw.D110000renmrb_20201117_1-20.htm

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