合成生物学——创造无限可能

合成生物学是如何对生物进行工程化设计和改造的呢

相信同学们对乐高积木都不陌生。乐高积木的特点是标准化、模块化，利用相互兼容的接口拼插出变化无穷的造型。合成生物学对生物的改造或者设计也是如此，只不过是以DNA作为“积木块”。通过高中生物课程，大家一定都已经知道DNA是生命的密码，由ACTG四种碱基互补配对组成。每个细胞、组织、我们的身体，几乎所有的生物和生命活动都是由DNA这种神奇的密码指导产生的。我们知道计算机的编程语言是0或1，那么ATCG就是生物的编程语言。因此，我们可以通过设计组装不同的DNA积木对生物进行编程，让生物产生新的功能，甚至制造出全新的生命。

乐高积木vs. DNA积木

2010年John Craig Venter在《科学》上撰文报道首例人工合成生命的诞生，用化学合成的基因组构建了一个细菌细胞，命名为Synthia，这是首个“人类制造并且能够自我复制的新物种”。同年12月，合成生物学被科学评为2010年度十大科学突破之首。

从头合成生命——Synthia的诞生

合成生物技术的发展具体将对我们的生活造成什么样的影响呢

首先，合成生物技术可用于医药、新能源等的开发以及化学品的绿色制造。试想如果能有一种工厂，不仅体积小不占地方，还可以全自动化运行，24小时无间断生产产品，并且不需要人值守，遇到故障可以自动修复，更神奇的是还可以自我复制，不断产生无数新的完全一致的工厂，这该有多高效呀。这种工厂便是合成生物技术催生的微生物细胞工厂。利用这些新型工厂，已经能够实现将糖类直接转化成生物乙醇等能源物质，乳酸等化学品，青蒿素等重要药物。运用合成生物技术，我们还能够设计可以监测、聚集和降解环境污染物的微生物，用于消除水污染、清除垃圾、处理核废料等，以及环境中污染物的检测与清理；设计可以靶向癌细胞的免疫细胞，使其可以定向杀死体内的癌症细胞，治疗癌症；设计光合作用效率更高、抗病抗旱能力更强的农作物，让其产生更多的粮食。此外，合成生物技术还可用于设计合成性能优异的新型材料，以及开发运算速度和存储能力远高于现有计算机的生物计算机等。因此，合成生物学将为经济社会发展和人类生活带来难以估量的颠覆性影响。下面举两个具体的例子。

合成生物技术打造细胞工厂

一个经典案例是青蒿素的生物合成。青蒿素是一种抗疟特效药，从黄花蒿的茎叶中提取。屠呦呦正是凭借青蒿素的成功提取获得2015年诺贝尔生理学或医学奖，成为第一个获得诺贝尔自然学奖的中国人。为了进一步降低青蒿素的生产成本，以Jay Keasling为首的科研人员利用合成生物技术，在酿酒酵母中构建了青蒿酸的异源合成途径，实现了青蒿素前体物的高效微生物合成，建立了青蒿素的新型生产工艺，有望取代传统植物提取工艺。与植物提取法相比，微生物合成技术不受地理位置、土壤状况、自然气候环境、灾害的影响，理论上可以在任何有发酵罐的工厂全天候生产，产品质量稳定、生产周期短、生产效率高、生产成本低廉，产品更具市场竞争力，应用前景广阔。

青蒿素的半合成工艺

另一个案例是合成生物技术在疾病检测中的应用。近期发表在《科学》杂志上的一篇文章利用合成生物学和电子技术，设计了一种“细菌胶囊”，有望代替内镜检查，监测消化道出血情况。这是怎么做到的呢？主要是在大肠杆菌体内加入了遇到血红素后立即表达发光蛋白的基因线路，然后把改造后的细菌放在定制传感器上，利用光电晶体管测量细菌的产光量，并将数据传递给微处理器，再通过无线电发送给附近的计算机或智能手机。如此，就可以利用电脑或者手机对肠道的情况进行远程监测，并得到实时的反馈。鉴于传感器可被设计成携带多种细菌，任何感知疾病特征的工程细菌都可滴入这些设备，因此在疾病检测和诊断方面具有非常广阔的应用前景。

“细菌胶囊”

编辑：许金玲

审核：马婕