合成生物学：进展与展望

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1、1 科学展望 14 1.2 合成生物学： 进展与展望 赵学明 陈 涛 （天津大学化工学院，天津大学生命科学与工程研究院） 合成生物学（synthetic biology）一词最早出现于1911年。随着国际人类基因组计划 （HGP）的完成，21世纪初合成生物学一词才在学术刊物及互联网上逐渐大量出现1。 2004年美国MIT出版的技术评论把合成生物学选为将改变世界的十大技术之一。2009 年11月，美国国家科学院出版了研究报告合成生物学：对国家建设的启示。2009年12 月自然生物技术出版了“Focus on Synthetic Biology”的合成生物学专辑2，包括社 论、进展综述、前景展望、

2、产业发展、专利产权、政府监管等16篇论文。社论指出：合成 生物学通过计算机设计，用4瓶化学品（A、G、T和C四种核苷酸）进行基因合成，然后 “即插即用”到具有最小化基因组的底盘生物中，可以想象我们在将来能够毫不费力地创 造不同形式的生命，这项突破性的技术具有改变生物工程的潜力。2010年1月，自然 杂志在纪念该刊发表基因线路等合成生物学论文10周年之际，考虑到合成生物学与系统生 物学密不可分，将相关重要论文编为“合成系统生物学”网络专辑（Web Focus: Synthetic Systems Biology）3。2010年12月，科学杂志评出的十大科学突破，合成生物学排第2 位，自然杂志盘点

3、出2010年12件重大科学事件，合成生物学排第4位。此外，科学 美国人的2010年十大科学新闻、时代周刊的十大医学突破、国际财经日报的十 大科学发现、我国科技日报的国际十大科技新闻均包括合成生物学。2011年1月自 然杂志预测的2011年13件重要发现及事件中也包括合成生物学。2000年以来发表的合成 生物学相关论文及专利如图1所示，从中可以看出合成生物学的发展概况。 图 1 20002010年合成生物学论文及专利发表情况（Scopus 数据库） 400 350 300 250 200 150 100 50 02000 2002 2004 2006 2008 2010 论文/篇 专利/项 年

4、份 1.2 合成生物学：进展与展望 15 一、 合成生物学及其研究策略 （一）合成生物学的定义 合成生物学是一个涉及生物学、工程学、遗传学、化学及计算机科学的交叉学 科。来自上述众多学科的人员，带着他们广泛的知识和经验，积极参与到合成生物 学的研究中，因此具有不同学科背景的人会从不同的角度来看合成生物学。2006 年科学家杂志对从事合成生物学研究的多名学者进行了调查，他们对合成生物 学的定义有非常不同的看法1。2009年12月，针对定义合成生物学这一难题，自 然生物技术在其专辑2中就合成生物学的定义发表了20位专家的看法。其中哈佛 大学遗传学教授乔治丘奇（George Church）说：基因工

5、程关注个别基因（主要是 克隆和表达），基因工程合乎逻辑地延伸到系统水平是基因组工程，介于两者之间 的是代谢工程。合成生物学是建立“标准”的总括，即在生物零件、装置、系统的 组装和功能化过程中，需要建立模块间相互协调的标准。这种分层次的性质容许在 不同水平上进行计算机辅助设计。2010年美国生物伦理委员会的报告4汇总大家的讨 论后得到共识：合成生物学是一个科学学科，其依赖于化学合成的DNA，通过标准 化和自动化的过程，创造具有全新的或增强了特征或性能的生物体，以满足人类的 需要。 （二）合成生物学的研究策略 合成生物学研究方法可分为自上而下法（top-down approach）和自下而上法 （

6、bottom-up approach）。两种方法可以在某种程度上互相交叉，它们都有共同目标： 工程化设计特定的生物功能，使其具有可预测性及可靠性。将来这两种方法可能会融 会贯通到一起。 （1）自上而下法：人们利用合成生物学对现有生物或基因序列进行重新设计，以 去掉不必要的零件，或取代或添加特定的零件。2006年，文特尔研究所（JCVI）进行 的生殖支原体最小基因组必需基因的研究，为自上而下法提供了原理的证明。 （2）自下而上法：人们利用非生命组分作为原材料来构建生命系统。与自上而下 法相比，采用该方法开展研究的时间较短，工作挑战性非常大。虽然目前还没有一个 完全真正的人造细胞，但JCVI正在沿

7、着此方向进行研究，图2是他们的工作过程。此 外，采用自下而上法进行合成生物学研究的工作还有很多，其中突出的工作是构建具 有各种功能的标准零件、基因调控线路及装置。 1 科学展望 16 图 2 JCVI用合成生物学技术构建合成细胞的过程流程 二、 合成生物学研究进展 短短几年，合成生物学正以空前的方式，在基础及应用研究、技术方法及产业化 等方面取得了很大的进展。 （一）DNA合成 DNA合成技术是支撑合成生物学发展的重要技术之一，其在基因及调控元件的合 成、基因线路和生物合成途径的重新设计组装，以及基因组的人工合成等方面都具有 重要的应用。近几年来，DNA合成技术发展很快，成本越来越低。2010

8、年12月，自 然生物技术在同一期发表了丘奇及其伙伴的两篇论文5, 6。他们用高通量焦磷酸 测序技术进行识别，并对经过验证的DNA进行检索，从而可进行高保真度基因合成。 在此基础上，利用取自高保真微阵列DNA库的选择性扩增，可以进行可扩展的基因合 成。他们的技术可使合成一个核苷酸的成本小于1美分。自然生物技术为这两篇 论文配发了评论，并在封面专门做了介绍。 （二）基因线路 基因线路是合成生物学的重要组成部分，这些研究不仅可更深入地了解生命的构 成方式和调控原理，还可设计具有所需功能的基因元件，进而构建合成生物系统。另 外，基因线路的研究也是进行生物分子计算的基础。迄今为止，合成生物学家已经构 建

9、了具有各种功能的基因线路，主要包括反馈器和开关、逻辑门（logicgate）、基因振 荡器、计数器以及通用性的RNA元件等。 天然细胞基因组 DNA 测序 DNA序列 数据库 基因序列数 据库（美国） 欧洲分子 生物学实验室 日本DNA 数据库 宏基因组数 据库（美国） 合成细胞移植到受体细胞 合成基因组酵母中基因 组组装 DNA合成 基因组设计 1.2 合成生物学：进展与展望 17 1. 基因振荡器 研究者已经人工合成了各种简单的具有自持性、衰减性或可代谢控制的细菌振 荡器，但这些振荡器大都缺乏鲁棒性（robustness）及可调性。2008年，斯特里克 （Stricker）等7在大肠杆菌中

10、构建了一个快速持续振荡的、具有鲁棒性的基因振荡 器，在其控制下，几乎所有的细胞都展现出了大振幅的荧光振动。振动周期还可以通 过改变诱导物的浓度、温度或培养基成分来进行调节。2009年，蒂格斯（Tigges）等8 合成了一种可调的哺乳动物细胞振荡器，首次在哺乳动物细胞中实现了对基因表达的 周期性控制。该振荡器能够自动使目标基因周期性表达，并且具有自持性和振荡频率 可调的特点。这一研究结果不仅对哺乳动物细胞时钟运转的细节及自然节律过程动态 变化的深入了解具有重要的意义，其在基因和细胞疗法的人工调控网络的设计中也具 有重要的应用潜力。2010年，该研究组9又设计了一种维持哺乳动物血液中尿酸动态 平衡

11、的基因线路。结果表明，合成的基因网络元件可以独立地对致病代谢物的浓度进 行控制，显示了在基因和细胞疗法中的良好应用前景。2010年达尼诺（Danino）等 10 利用微生物的群体感应系统构建了一个基因钟表，使一个群体中的细胞产生同步的振 荡和协调的光脉冲。利用这个同步的基因钟表可以构建以振动作为输出信号的宏观生 物传感器。 2. 计数器 合成的生物计数器也有许多潜在的应用，例如，在一定的细胞周期后调节细胞的 死亡，接受一定的时间信号并控制细胞分化，非侵害性地监视细胞衰老过程，或者记 录环境信号的频率，等等。2009年，弗里德兰（Friedland）等11构建了两个互补的合 成基因计数器，可以进

12、行3次计数。第一个计数器利用的是RNA调控的转录级联反应， 第二个计数器则是一个基于重组酶的存储器级联反应。这个计数模块可以容许各种不 同类型和频率的输入信号，而且可以被扩展以应用于更大的数字。这种计数器扩展了 合成生物学家的工具箱，使他们能够设计出更新颖的细胞功能。 3. 逻辑门与生物分子计算 逻辑门是复杂数字电子线路的基本运算单元，基于电路中的逻辑门和真值表通过 工程手段在活细胞中构建自动化的、可编程的分子计算元件是生物分子计算的一个主 要目标，这些元件能够感应细胞或环境中某种分子的浓度而输出信号。2008年，斯莫 克（Smolke）研究组12开发了一个通用的、由标准元件组装成的、具有特定

13、逻辑电 路功能的RNA元件的技术，这些RNA元件可以将分子输入信号和特定蛋白的表达相关 联，可以行使各种逻辑门（包括与门、与非门、或门、或非门）和信号过滤器的功能， 1 科学展望 18 还可以实现输入信号对输出信号的协同性控制，从而能够对高层次细胞信息进行处理运 算。这一研究成果表明可以通过预先编程的元件来改变细胞的生理行为，从而向实现生 物分子计算的目标迈进了重要的一步。2010年，该研究组13进一步构建了一种可以感 应细胞内特定蛋白质浓度而调节基因表达水平的RNA元件。为了展示这些元件的应用 潜力，他们将该元件作为预先编程的基因调控系统，植入细胞内来检测与疾病相关的 蛋白质信号分子，使细胞

14、可以根据蛋白质信号分子的浓度，来自动调节治疗基因的表 达。上述研究成果生动地显示了可以通过特定的RNA元件，对细胞中天然的基因表达 调节网络进行重新接线，从而赋予细胞新的行为或控制细胞的行为，这在细胞天然途 径和网络的改造中具有极大的应用价值。 生物分子计算是由许多基础的单元组成的高度有序的过程，如果每个细胞都实现 一个简单的计算操作，那么这些细胞之间通过细胞间的通信就能够实现复杂的运算。 2011年1月，自然杂志在同一期发表了两篇论文，创新性地描述了不同微生物进行 的复杂逻辑运算。塔姆希尔（A. Tamsir）等14通过基因线路的群体感应实现更加复杂 的计算过程。首先在大肠杆菌（E. col

15、i）上构建一个简单的NOR逻辑门，在NOR逻辑 门中由两个串联的启动子来控制一个抑制子的表达，抑制子控制着输出的表达。每个 细胞中都包含有一个简单NOR逻辑门，通过对细胞通信线路的重新接线，实现了复杂 的计算功能，这是由原来简单的逻辑线路进一步组装的更加复杂的基因线路。雷戈特 （Regot）等15将能实现四种基本逻辑运算的基因线路，分别转入酿酒酵母中得到基本 的逻辑运算细胞，由可从胞内扩散到培养基中的分子充当输出信号，输入信号是外部 添加的信号分子和（或）可扩散的信号分子，其中可扩散信号分子可实现不同类型细 胞之间的“接线”（即实现不同逻辑运算单元的连接），然后采用不同的组合方式， 将各类细胞

16、混合培养，可实现多路器和进位加法器等更复杂逻辑电路的功能。 （三）合成基因组（“合成细胞”）1619 多年来，JCVI一直在进行合成基因组的工作。2003年，由合成的寡核苷酸，通过 整个基因组组装，得到一个合成fX174噬菌体基因组。根据此技术，他们提出组装一 个最小细胞的基因组的设想。2006年，对具有最小基因组的生殖支原体，进行了最小 基因组必需基因的研究，为后来对基因组的操作奠定了基础。2007年，将蕈状支原体 的整个基因组分离为“裸露”的DNA 并将其移植到山羊支原体中，实现了在细菌中的 基因组移植: 将一种物种变为另一种物种。2008年，在酵母中得到完全的化学合成、组 装、克隆的生殖道支原体基因组，这是第一个人工合成的细菌基因组。2009年，为了 进一步利用酵母中的细菌基因组来构建活的微生物细胞，实现了基因组从酵母到其他 物种的高效转移，打通了人工合成细胞的最后一步。2010年，他们报告了从数