合成生物学及其应用研究概述

阿茹娜 郑婉颖 俞如旺

(福建师范大学生命科学学院 福州 350117)

1 合成生物学及其主要研究内容

合成生物学是一门通过合成生物功能元件、装置、系统，对生命体进行有目标的遗传学设计、改造，使细胞和生物体产生特定生物功能，乃至合成“人造生命”的学科。合成生物学是一门交叉学科，会聚了化学工程、电气工程、计算机科学和机械工程等，涉及生物物理学、生物化学、医药学、生物医学工程和分子细胞生物学等多种学科[1]。

合成生物学研究一方面可以深化人类对于生命机制的认识，为正确理解生物系统及生命演化的奥秘提供必要补充，指导人类深入验证、理解生物现象以及更好地运用源于自然的技术，使生物学从“观测、发现”走向“建物、创造”；另一方面，合成生物学开辟了更广阔的应用领域，加速了合成生物系统的工程化进程，为医药创新、疾病诊断、资源开发、生态保护和农业生产等方面开拓新的思路。

1.1 元件工程 依照工程学理念，合成生物学将生命系统中最基础、功能最简单的单元统称为生物元件[1]，其生物学本质是具有特定功能的DNA序列、RNA序列、氨基酸序列或蛋白质结构域。元件工程的中心目标包括：①对现有生物元件的结构进行改造以获得目标功能；②开发自然界中本不存在的新型元件。常见的元件按照功能可以划分为非催化元件和催化元件两类。非催化元件有启动子、终止子、转录单元、质粒骨架、核糖体结合位点等；催化元件则是经过定向改造或重新设计合成的酶类。例如，核糖体结合蛋白本是一种缺乏酶活性的感受蛋白，研究人员运用复合胺替代原本的自然配体，可使其转化为具有一定催化功能的活性蛋白。

2003年，美国麻省理工学院合成生物学实验室成立了标准生物元件登记库，收集符合标准化条件的生物元件，截至目前已有超过两万个生物元件登记在库[2]。元件库的建立与扩充是合成生物学发展的重要标志。

1.2 遗传线路工程 遗传线路，即基因线路，是由调节元件和被调节的基因构成的生物装置，它在特定条件下可调控基因产物的表达。人工基因线路通过遗传线路工程合成，主要有两大类： 一类是基本型人工基因线路，另一类是组合型人工基因线路。

基本型人工基因线路主要是借鉴逻辑电路的设计规则研究基因线路的逻辑关系与调控方法，构建生物控制器件，如基因表达调控开关、生物振荡器、逻辑信号门、信号过滤器等。这些基本型人工基因线路可以转移至细菌、病毒或人体细胞等生物中进行定向改造，从而用于疾病的诊疗等。组合型人工基因线路是以基本型人工基因线路为基础器件搭建的复杂遗传装置，可用于模拟高级的生命过程。2014年，欧阳颀等编程出一种人工基因线路，能够在大肠杆菌中执行类似巴甫洛夫式条件反射行为，重现高等生物神经网络的学习功能[3]。

1.3 基因组工程 随着基因组测序、DNA合成技术以及基因编辑技术的逐步成熟，将基因组从头合成与重设计的基因组工程应运而生。基因组拼装、转移技术是合成生物学领域的核心技术体系，其革新与完善将有效推动合成生物学的发展。基因组的设计与构建不仅是探索基因功能的研究手段，而且可创建用于疾病治疗、药物生产的新生命体。自世界首个由化学合成基因组控制的原核生物支原体——Synthia诞生以来，科学家在人工构建细胞器染色体、酵母染色体臂等基因组重新合成领域不断取得新的突破。自2011年起，多个国家的研究人员联合展开第一个真核生物基因组合成计划——合成酵母基因组计划(Sc2.0)。2018年，覃重军团队利用CRISPR-Cas等基因编辑技术成功实现了单染色体啤酒酵母细胞——SY14的人工创建，是合成生物学基因组工程与细胞工程方面的里程碑式进展。SY14的成功构建打破了教材中原核生物与真核生物的界限，并为端粒功能及细胞衰老的研究提供优良模型。

1.4 代谢网络工程 相比于传统代谢工程，合成代谢工程强调构建“自然界中不存在的生化系统”，利用标准化、模块化的基因、酶等生物元件，重新构建菌株代谢网络，高效地合成符合人类需求的代谢产物。通过对大规模代谢网络的计算分析，可设计出特定生物产品的最优合成途径，有效协助研究人员找到适当的代谢工程改造策略，提升改造过程的精确性[4]。如今，代谢网络工程已能够基于异源宿主的代谢信息，整合已知或预测的外源酶功能特性，改变或合成感兴趣的代谢途径。例如，改变大肠杆菌的氨基酸合成代谢途径，生产生物柴油、汽油、异丁醇[1]；基于酵母菌底盘，制造抗疟药物青蒿素前体物质青蒿酸。2015年，Galanie团队完成了目前微生物中最长的植物天然化合物代谢途径，在面包酵母中实现阿片类药物全合成[5]。

1.5 21世纪以来合成生物学领域的重大突破 1979年，美国化学家Har Gobind Khorana合成了207个碱基对的DNA序列，合成生物学从此开启[6]。进入21世纪后，合成生物学取得诸多突破。代表性进展如图1。

图1 21世纪以来合成生物学研究的代表性进展

2 合成生物学的应用研究

2.1 疾病诊疗 现今，肿瘤、糖尿病等仍是导致高死亡率的疾病。应用合成生物学，为这些疑难杂症的治疗提供新的思路和解决方案。

2.1.1 糖尿病的治疗 利用生物传感体系人工合成基因环路是近年来糖尿病治疗的主要研究方向。主要有2种光调控环路： ①光调控基因环路： 将含有光调控系统的工程化细胞移植至患病小鼠体内，此工程化细胞基因环路由光感受器视黑素与效应器两部分构成。视黑素为一类G蛋白偶联受体，效应器则由响应活化T细胞核因子的启动子(PNFAT)及胰高血糖素样肽-1(GLP-1)基因构成。在蓝光刺激下，视黑素构象改变，GLP-1基因表达启动，刺激胰岛β细胞增殖分化，从而促进胰岛素合成并分泌，起到降血糖的效果。病患只需照射蓝光就能得到降血糖的治疗结果，减轻其治疗过程中的痛苦。且与化学诱导物比较，蓝光具有诱导速度快、毒性低等特点，能够克服吃药、打针等传统治疗方法的局限性[7]。②微波调控基因环路： 该体系所利用的感知元件是一种热敏感型离子通道蛋白(TRPV1)。在低频微波辐射作用下，与之结合的铁蛋白聚合物可发生磁热效应释放热能，使细胞局部温度升高，激活TRPV1离子通道，使钙离子内流而激活NFAT信号通路，从而启动基因环路中胰岛素原的表达，调节血糖稳态[8]。

2.1.2 肿瘤的诊疗 经过人工基因线路改造而成的人工细胞、人工细菌以及人工病毒，具有计算、感知、记忆、响应等功能，当人工生命体感知肿瘤或病灶区域的特异信号，就会输出报告分子或释放治疗药物，从而实现对癌症病人生理状态的监测、诊断以及治疗。

合成生物学将群体感应、生物计数器和自杀开关等人工基因线路的设计编写入细菌中，提升肿瘤细菌疗法的安全性和有效性。M. Omar Din等利用群体感应的基因线路设计工程化裂解菌，肿瘤环境内生长的工程细菌数量达到一定浓度阈值后自动裂解，并释放出抗肿瘤药物。由于体内始终维持较低的细菌数量，从而可以降低其对周围组织的毒副作用[9]。与人工细菌作用原理相似，人工改造的溶瘤病毒在肿瘤细胞中特异性复制并杀伤肿瘤细胞，但不伤害健康组织，同时还会克服肿瘤免疫抑制，促进机体免疫修复。

除了对细菌与病毒进行改造，设计改造后的人类自身细胞运用于肿瘤诊疗也取得新的进展。嵌合抗原受体T(chimeric antigen receptor T， CAR-T)细胞免疫疗法就是利用人工合成的嵌合抗原受体工程化改造T细胞。抗原受体经重新设计后具备更广泛的肿瘤抗原识别能力，人工设计的T细胞在体外扩增培养后输入患者体内，能够特异性杀伤肿瘤细胞，增强免疫反应，实现靶向治疗。

2.2 环境修复 科技、经济、文化迅猛发展的同时，生态环境问题成为21世纪无法忽视的挑战。新兴污染物堆砌的垃圾山、温室效应气体的排放以及化石能源耗竭等使生态系统自然修复难以实现。

利用生物合成技术开发新型生物能源是解决能源危机的重要途径。工程化大肠杆菌的非发酵代谢途径生物合成的1-丁醇燃料接近汽油的能量密度，且不易挥发；氢气是未来最有前景的绿色清洁能源，多酶分子机器技术将多种酶进行适配，利用生物质原料，能够从1个葡萄糖单元中获得12个氢气分子。该技术生产氢气具有易存储、安全性高且不产生温室效应气体的优势。

新兴污染物种类繁多，包括抗生素、洗涤剂、阻燃剂以及部分农药等。现有微生物降解菌难以应对层出不穷的新兴污染物。分析现有降解菌代谢通路信息的几种催化元件，利用合成生物学技术定向设计、改造并组合降解元件、抗逆元件、趋化元件等，构建能够降解一种或多种污染物、具有全新代谢网络的工程菌，建立智能高效降解微生态系统可有效实现环境监测与修复[10]。

3 合成生物学研究面临的挑战

合成生物学在蓬勃发展的21世纪显现出巨大的发展潜力。然而合成生物学给人类社会、自然生态可能带来的风险也不容忽视： ①合成生物的进化具有不确定性，这是因为人工导入外源片段的细胞具有非自然存在的崭新功能，其遗传信息可能发生难以预估的变化，在自然选择中展现优势而无限增殖，或许会促使“超级细菌”的诞生，其结果必然会对其他生物甚至人类的生存带来威胁；②人造生命与自然界现存的其他物质之间的相互作用难以预估，可能出现意料之外的副效应，或是合成的基因传入其他自然物种中，使自然界基因库遭受污染，引起基因变化，造成环境灾难；③合成生物学研究若得不到有效管理，有可能被“错用”为生物武器，可以严重危害人类安全。2004年，美国科研人员人工合成了“西班牙流感病毒”，该病毒曾在1918年致使全世界上千万人死亡，虽然其研究者称合成“西班牙流感病毒”有利于深入理解致命病毒机制，但是万一该病毒从实验室扩散出去，其可能的危害绝对不容低估。因此，加强合成生物学研究的管理至关重要。人为设计生命意味着将“人”置于造物主的地位，将人的意志和文化嵌入生命的进化中是对传统生命伦理的挑战。合成生物学的发展不得不引发人们对生命意义的反思。