合成生物学开启生命科学会聚研究新时代.PDF

总论 General Theory 合成生物学： 开启生命科学“会聚”研究新时代 赵国屏1,2 1 中国科学院上海生命科学研究院 生物医学大数据中心 上海 200031 2 中国科学院植物生理生态研究所 合成生物学重点实验室 上海 200032 摘要 自然科学各学科的研究对象在时空尺度上的差别与相连，既决定了学科间的差别，也决定了学科间的交叉。 生物学在发展到以机理研究为主的“生命科学”阶段后，得益于学科交叉和技术创新，在20世纪“分子生物学” 和“基因组学”革命基础上，通过引入工程学理念，形成了“合成生物学”，并迅速形成“会聚研究”的第三次 革命。文章在阐述合成生物学的内涵并回顾其学科发展历程与取得成果的基础上，特别提出了合成生物学的科技 支撑与社会治理问题，期望引起科学界、社会公众与政府管理层面的关注。 关键词 学科交叉，生命科学，工程学，分子生物学，社会治理 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2018.11.001 自然科学是研究自然现象和自然界各种物质形态、 生命现象自身的复杂性，19 世纪末，虽然人们在以往对 结构、性质及其运动和发展的各门学科的总称，包括天 生物及生物运动（如，生长、生殖、发酵等）观测与研 文学、物理学、化学、地学和生物学等。数学因其研究 究的基础上，开始对细胞形态结构的认识、对遗传规律 对象的特殊性（从自然到社会的一切“数”的问题的抽 的抽象、对生物进化概念的理解上有了革命性的突破， 象）和思维逻辑的特殊性（形式逻辑的“自洽”），不 但生物学尚未能实现在整体上向研究其普遍的构成本质 属于自然科学范畴，却是各门学科的重要基础。物质存 及运动规律的“生命科学”的飞跃。20 世纪上半叶，微 在和运动的状态可以从空间、时间两个维度来观测和研 观层面的生物化学、细胞生物学和发育生物学，宏观层 究，因此，自然科学各学科也可以在这两个维度上“划 面的生态学和进化生物学等的形成与发展，推动生物学 分”各自的领域。 从以分类描述为特征的传统科学向以机制研究为核心的 与各门学科一样，生物学起步于观测和描述。由于 现代科学转变。以此为基础，20 世纪中叶以来，生命科 修改稿收到日期：2018年10月28 日 院刊 1135 总论 学研究在技术、认知和能力方面接连爆发了“分子生物 究内容；大片段基因组操作和改造，以及大规模、高精 学”“基因组学”和“会聚”研究三次革命。 度、低成本 DNA 合成，是其最重要的两大使能技术； “生命是什么？生命如何起源，又如何演化？”这 而基因组（包括原型细胞的合成等“细胞工程”）的 既是涉及人类健康生存与繁衍、社会发展与和谐的基本 构建，是其最重要的工程化平台。这两个方向，基本 科学问题，也是人类每个文明体系都必须回答的哲学问 抓住了合成生物学的工程化研究所包含的“定量生物 题。尽管以还原论为主导的现代生命科学技术，特别是 学”“分子生物学”与“系统生物学”等会聚来源的本 以 DNA 双螺旋结构解析为基础的分子遗传学研究，确定 质，原则上是比较全面和准确的；当然，我们也可以在 了生命运动的“中心法则”（central dogma ），又通过 下述 3 个方向上更具体地阐述其内涵（图1 ）。 以基因组全面解析以及相关“组学”数据为基础的系统 1.1 工程学内涵 生物学分析，对生物体组成和生命运动规律的认识达到 合成生物学内涵的核心，是它的“会聚特性”。 了前所未有的深度和精度，但是对生命起源、演化（进