合成生物学：从科学内涵到工程实践赵国屏.pdfVIP

合成生物学是生命科学在21世纪刚刚出现的一个分支学科、交

叉学科。与传统生物学解剖生命体直至分子水平以研究其内在构造和

功能机理的办法不同，也与基因工程以模拟改造基因并转移至另一物

种中表达的目的不同，合成生物学是从生命体最基本的组分——生命

分子开始，一步步建立模块，搭建框架，形成线路网络，最后建立人

工生物体系，使其按设计的目的运行。合成生物学研究的方法与以分

析为主的传统生物学不同，其研究目的也与以异源表达基因的生物工

程不同。那么，到底什么是合成生物学？如何认识其科学内涵？发展

合成生物学有哪些重要的现实意义？合成生物学的未来发展前景以

及方向如何？赵国屏院士就上述问题接受了《生物产业技术》的专访，

与大家一起探讨合成生物学发展的话题。

——合成生物学逐渐成为国内外的研究热点，请您用通俗的语言

给我们介绍一下合成生物学到底是什么？合成生物学的科学内涵是

什么？

赵：合成生物学的产生和快速发展，是人类对生命现象系统认知

和深刻探索之后合乎逻辑的必然结果。顾名思义，“合成生物学”就

是用人工合成的方法，对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计

和改造，或者通过人工的方法，创造自然界不存在的人造生命“”。

因此，创造或改造生命系统，获得性能改善的人工生物系统，以应对

人类社会出现的环境、能源、材料、健康等需求是合成生物学的核心

内容。实际上，合成生物学从其发端，到现在的实践，还有另外的一

层重要的内涵，就是用“合成”的理念和策略，来研究生物和生命系统

的运行规律。前者，反映了合成生物学的工程技术的本质；后者，反

映了合成生物学的科学理论本质。只有从这两个方面去认识合成生物

学，才是完整的。

合成生物学（syntheticbiology）一词最早出现于法国物理化

学家StephaneLeduc于1911年所著的“生命的机理（The

MechanismofLife）”一书中。在整个20世纪中，随着生物化学、

分子生物学和生物技术的发展，也随着人们对生物起源和生命本质探

索的深入，发展人工合成生物分子和生命体系的技术，并以此研究生

命本质的努力一直在艰难中前行。这一方面，我国科学家在上世纪中

后叶实施的人工合成牛胰岛素和人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸

的工作，做出了划时代的标志性贡献！

但是，合成生物学真正成为一门学科，则起始于本世纪初。上世

纪90年代开始实施的人类基因组计划，使人们史无前例地能够全面

认识一个生命系统的全部遗传编码信息，也从而产生了基因组学。在

此基础上，又发展出了一系列在生命过程的各个阶段上，全面获取从

细胞到个体乃至群体各层次上的生物数据的各种组“学”平台技术。以

这些数据为基础，发展起了采用“自上而下”的综合分析，整体“”地建

立认识复杂生命体系模型的系统生物学。当在一系列这种以假说为导

向的、设定边界条件的系统认识模型的指导下，“由下而上”地“合

成、构建”完整的、具有被设计“”活力的生命体系时，人们对生命

的系统认识才算是得到了最终的验证，这也同时将以发现规律“”为特

征的系统生物学，上升到了以创新生命“”为特征的合成生物学。

合成生物学的主要目标，一方面是希望可以根据人类的意愿从头

设计，合成新的生命过程或生命体，为生命科学研究，开拓新思路、

新方法、新领域。另一方面，是利用合成生物学的方法，将设计、“

构建、组装”的工程学思路真正引入现代工业生物技术和生物医学领

域，通过对现有生物体的有目标的、工程化的改造，解决人类发展面

临的若干重大挑战，推动人类社会的可持续发展，保持和恢复地球环

境的生态平衡。

——合成生物学发展的技术基础有哪些？

赵：如同将不同配置的硬件组合在一起可以获得不同性能的计算

机一样，合成生物学也强调不同“生物组件”或模块“”的重新设计、

组合和装配而最终获得不同性能的生物系统。从本质上来说，合成生

物学是在分子水平上对生命系统的重新设计和改造，基因工程、代

谢工程、蛋白质工程等技术是其核心的技术手段。这种重新设计和改

造涉及到一个细胞的不同层面，如生物大分子（核酸、蛋白质）、

代谢网络和遗传网络等。这些不同的层面，构成了不同的“