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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“
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