科普 |合成生物学推动新一轮生物产业革命
来源：科协改革进行时
2016年3月，英国合成生物学领导理事会发布《英国合成生物学战略计划2016》，提出到2030年，实现英国合成生物学100亿欧元的市场，并在未来开拓更广阔的全球市场。不只是英国，美国、日本等发达国家都早已部署本国的合成生物学发展战略，如今的合成生物学正成为各国争抢的科技高地。
合成生物学（synthetic biology）可以说是“源于自然，高于自然”。合成生物学取材于自然界中已有生物的部件，经过适当重组和重构，得到具有可控形状和特性的生命体，即人为地、可控地改造或创造生命。长期以来，我们对细胞的改造大多集中在化学物理诱变、一个到几个基因改变的基因工程或代谢路径改变的代谢工程，也包括个别基因的分子进化改造、点突变改造、基因片段的改造等。这些工作使我们对基因调节细胞代谢路径及代谢产物有了越来越多的认识。把具有某个功能的几个基因（或叫操纵子）当作一个生物零件，把完成某个任务所需要的生物零件组装起来，构建一个新的细胞，就是合成生物学。
合成生物学包括两条路线，第一条是新的生物零件、组件和系统的设计与建造；第二条是对现有的、天然的生物系统 的重新设计。工程上组装一台机器，是“走到仓库里，找到所需的零件，把零件拼起来，成为一台机器”。合成生物学对各种生物零件的组装，是“走到冰箱里，取出相应的生物零件，把它们组装起来，成为一个微小的生物机器”。合成生物学利用基因工程改变微生物基因，使其产生一些通常不可能的东西，实现梦想到现实的转变。利用合成生物学生产药物、化学品或生物燃料，改善人类健康并造福人类社会，是科学家进行相关研究的主要目标之一。合成生物学是能将生物领域基础研究转化为实际社会生产力的关键学科。
人工合成人骨
合成生物学研究可划分为三个时期，第一个时期是基础时期，是文化特征建立时期；第二个时期是过渡时期，在这个时期合成生物学不断发展，但是还缺乏工程应用；第三个时期是加速创新和朝着应用转化的时期，这一时期的新技术和工程应用使得合成生物学开始在生物技术和医学领域应用。2000年以后，在D. Endy、J. D. Keasling、R. Weiss、J. J. Collins 和 C. D. Smolke等人的推动下，合成生物学作为一门崭新的学科得到了飞速发展。J. D. Keasling等人运用合成生物学方法在酿酒酵母中合成抗疟疾物质青蒿素的前体物质青蒿酸，这一成果被评为2006年世界十大科技进展之一。2008年James C. Liao等人使用代谢工程方法编辑大肠杆菌，重组的大肠杆菌可以利用比较廉价的碳源葡萄糖生产高级醇类，可以用于替代传统的生物燃料乙醇。2010年J. C. Venter等人将人工合成基因组导入事先去掉基因组的丝状支原体中，重组的丝状支原体具有人工设计的特点并且可以正常生长，预示着首个合成生物的诞生。
2013年CRISPR-Cas9介导的基因组编辑新技术的出现，使合成生物学家能更容易地编辑合成原件和细胞的基因组。目前该技术已成功应用于人类细胞、斑马鱼、小鼠以及细菌的基因组精确修饰。2015年中山大学的黄军用CRISPR-Cas9对有疾病的胚胎进行了基因组编辑，初步证明该技术有促进人类健康的巨大潜能。2016年利用CRISPR-Cas9基因组编辑技术通过删除引发蘑菇变为褐色的基因，得到不会变色的工程化蘑菇，已经开始种植并售卖。
合成生物学具有巨大的科学价值和产业前景，其市场预期和经济效益不可估量。中国的化学和工程学研究处于国际先进水平，现在遗传学研究也迎头赶上（生物信息学和基因组测序、动物和植物基因组重编等），这为未来中国合成生物学的发展奠定了良好的基础。
全球各个团队正在通过基因组编辑酵母、细菌和其他细胞，制作塑料、生物质能源、医药以及纤维，其目标是建立比工业同行更加廉价、简便、可持续的生命工厂。J. D. Keasling及其合作者2003年在加州共同成立Amyris公司，以促进实验室的发现尽快进入市场。2013年美国加州大学伯克利分校J. D. Keasling研究小组利用合成生物学方法分别将相关基因植入大肠杆菌和酿酒酵母中，利用微生物合成青蒿素的前体物质Amorphadiene和青蒿酸， Amorphadiene和青蒿酸可通过化学方法进行改造，很方便地变成活性青蒿素衍生物。这种微生物“工厂”的生产速度比从植物中提取青蒿素快将近100倍。
2013年法国赛诺菲（Sanofi）制药公司根据J. D. Keasling教授的发现，启动了大规模的青蒿素半合成。世界上每年感染疟疾的人数超过65万，其中因疟疾而丧生的大部分是儿童。此项研究成果不仅意味着合成生物学这一新兴领域的首战告捷，更能够为挽救发展中国家的亿万疟疾患者做出贡献。青蒿素迄今为止一直是从青蒿植物中提取所得的，但是由于天气和收割时间等原因，从植物中提取青蒿素的周期需要18个月。现在不同了，青蒿素既可以从青蒿植物中提取，也可以来自工程酵母，而且从酵母中提取只需要1个月。
紫杉醇是从紫杉的树皮中提取的一种化合物，紫杉醇具有天然抗癌功效，于1992年被美国食品和药品管理局（FDA）正式批准为抗癌新药。长期以来，获取紫杉醇的工艺十分复杂，在20世纪90年代初，从100吨太平洋紫杉树的树皮中只能提取130千克这种救命的药物，这需要砍伐超过500万吨长成的太平洋紫杉树，因此传统生产方法不但周期长、效率低，还会破坏大量的森林资源。2010年Gregory Stephanopoulos实验室设计了在大肠杆菌中生产紫杉醇合成过程中的重要前体紫杉二烯的生物合成通路，并将其分成两个部分，通过优化两个部分的协作，成功将紫杉二烯的产量提高到1克/升，这一工程学壮举最终可能使人们找到廉价有效的制造紫杉醇的方法。
PHA是聚羟基脂肪酸酯类材料的总称，是微生物体内合成的具有生物相容性和生物可降解的环境友好型材料，目前产业化品种已有四代。第一代产品的典型代表为均聚物PHB（聚3-羟基丁酸酯）。该材料脆性大，很难大规模应用。为了改善加工性能，人们利用分子生物学、代谢工程和合成生物学等研发了第二代产品PHBV（聚3-羟基丁酸酯 /3- 羟基戊酸酯共聚物）、第三代产品 PHBHHx（3-羟基丁酸酯/3-羟基己酸酯共聚物）以及第四代产品P34HB（聚 3- 羟基丁酸酯 /4- 羟基丁酸酯共聚物）。
2013年日本鹤冈市生物材料公司Spiber，通过重新编程细菌加工出与蛛丝相同的蛋白质，成功实现短时间内合成大量蛋白质，可用于制作坚韧且轻便的冬装，并且展示了一条用人造合成蛛丝制成的蓝色长裙。
二十碳五烯酸（EPA）具有帮助降低胆固醇和甘油三酯的含量，促进体内饱和脂肪酸代谢的作用，二十二碳六烯酸（DHA）对儿童的发育有着至关重要的作用。随着EPA和DHA的市场需求越来越大，加之目前主要从深海鱼体内提取这两种物质，导致供不应求的现象，这就需要一个可以持续产生并且不依赖于动物体内提取的方法。 2013年Quinn Zhu等人将EPA合成通路上的基因导入酵母中，成功生产出较高产量的EPA。
随着全球气候变化越来越严重以及化石燃料越来越稀缺，代谢工程学家和合成生物学家开始寻找可以再生的绿色能源，近年来，以更经济的微生物发酵生产方式生产高能燃料开始吸引人们的注意，2014年J. D. Keasling等人成功利用基因组编辑的啤酒酵母生产脂肪酸、脂肪醇、脂肪酸乙酯（生物柴油），并且经过调整的酵母可以大规模生产生物燃料。
2015年美国斯坦福大学科学家Christina Smolke将植物、细菌和哺乳动物基因混合导入酵母菌中，组成含有21个基因的蒂巴因合成通路。改造过的酵母菌成功地将糖转化为蒂巴因—吗啡等强大止痛药物的前体，进一步调整后，酵母转变成一个“生物工厂”，生产出有效的、被广泛使用的止痛剂氢可酮。
对合成生物学来说，目前发展中的主要问题是基因合成的成本仍然过高；多片段DNA拼接仍然烦琐，在细胞中表达仍然不稳定；对人类基因组的编辑仍然存在伦理问题等。未来，合成生物学的发展需要能够快速筛选所需要的原件的新技术，需要探究清楚构建新的合成有机体所需要的最小基因组信息。
合成生物学将对人类认识生命、揭示生命的奥秘、重新设计及改造生命等具有重大的科学意义。合成生物学的发展应该采用专注于生物科技发现，并将其转变成可以产业化的技术，商业合作伙伴再将其推向市场的合作模式，这样才能更好地造福于人类。
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