目前合成生物学的研究现状的遇到问题

摘 要:

合成生物学主要的观点,就是用理性设计的方法来创造或改造生命体。合成生物学主要有三个发展方向:一是以美国科学家文特尔为代表的基因合成,合成了病毒、合成支原体的基因组,二是以凯斯林为代表的,对生物的代谢系统做改造,让生物产出原来不产的东西,三是从理性设计的角度出发来重新搭建生物,即用可预测的方法来从下到上地构建一种生物。

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“国内合成生物学的路,一开始就走偏了。”

“很多大学的生物系不是在做education,而是在做de-education。”

“用现在的方式培养出来的生物学家来推动21世纪的科技革命,那差得太远。”

北京大学教授、中科院院士欧阳颀以直率、敢说著称,但他的这些犀利评论,不能说不是反映了国内该领域科研和教学的一些现状。出身清华大学化学系,现在北京大学物理学院做生物学相关研究的他,在系统生物学与合成生物学研究方面都走在中国乃至世界前列。

合成生物学主要的观点,就是用理性设计的方法来创造或改造生命体。合成生物学大概是在2000年左右出现的。合成生物学主要的观点是什么呢?就是我们可以用理性设计的方法来创造或者改造生命体,为人类服务。在当时的情况下,合成生物学有三个主要发展方向:

一个方面是基因合成,比如美国科学家文特尔(J.Graig Venter)合成了病毒、合成支原体基因组,现在中国也参与合成了酵母菌的染色体。今年又有一些科学家开会说要合成人类基因组,这引起了很大的恐慌,后来科学家解释说不是合成人类基因组,而是研究人类基因组。实际上,我们合成基因组,摸索出合成基因组的最佳方法,并了解合成条件和成本,实际上也是在为以后的合成生物学做准备。这是合成生物学的一支。

另外一支就是以凯斯林(Jay D. Keasling)为代表的,对生物的代谢系统做改造,让生物产出原来不产的东西,这方面的比较典型的工作有两个。一个是凯斯林的代表作——合成青蒿素前体。青蒿是一种植物,之前为了得到青蒿素,我们必须种青蒿,然后提取,屠呦呦因此获得诺贝尔奖。凯斯林所做的,就是用细菌去大量生产青蒿素前体。他一直在做这个,自称花了2000个“博士后年”才把这个东西做出来,最终真的能用酵母菌产生青蒿素前体了,这是一个很大的突破。最近一个是有位叫斯莫尔克(Christina Smolke)的研究人员用酵母菌生产可卡因,她这个研究也是在对生物的代谢系统做改造。

第三条路,就是从理性设计的角度出发来重新搭建生物,即用可预测的方法来从下到上地构建一种生物。类比到电子工业,电子工业的基础元件是三极管,在三极管的基础上搭建逻辑门,在逻辑门的基础上再来搭建模块,在模块的基础上再发展计算机网络等等。那么,生物学上有一部分人就想用电子工程的设计理念来搭建模块。

客观来说,目前人们还没有掌握合成生物学所需的基本方法,对这门科学的内在规律的掌握还不是很完善,但是我们已经积累了经验。在原核细胞中,在今后10-20年内可能会实现定量操作,也就是说,设计和生产能够实现分家。

目前合成生物学的瓶颈在系统生物学上。怎样定量预测一个像细胞一样的复杂系统的运动规律,这个我们做不到。这不是合成生物学的任务,是系统生物学的任务。系统生物学做的主要是科学上的事情,主要关注生命体的运动规律是什么;合成生物学的主要任务是怎样用这些规律来设计一个生命体或者改造一个生命体,来完成我们希望它完成的任务,主要是工程方面的。

国内合成生物学是从七八年前开始的,可能还要更早些。虽然开始的时间和国际上相差无几,但是一开始这条路就走偏了。为什么呢?因为以前没有多少人在做合成生物学,更没有多少人知道合成生物学的精髓是什么。对于合成生物学的先导项目,国家给了一大笔钱,一部分给了做结构的,另外1/3到2/3给了做代谢工程的。给了这些领域的科学家之后,他们基本还是用传统的方法来改造细胞,很少有合成生物学的意思。所以,虽然现在国内的合成生物学看起来有了很多成果,但很多都只是酶工程、代谢工程、微生物工程方面的工作,这只是一条路,也就是凯斯林走的那条路,但是凯斯林也提倡理性设计。所以合成生物学的路在中国从一开始就走偏了,合成生物学基础研究明显不足,实际上一直在纠偏,因此我们与世界顶尖水平的距离还有扩大的趋势。

在中国,真正在做合成生物学的团队:

赵国屏院士是真正做了一些事情。他做的最值得称道的事情是做了一个信息平台,可以把世界前沿的合成生物学资源及时介绍到中国来。另外,他还想建立一个合成生物学的元件库,但还不是十分成功,当然,他自己也做了很多基础的东西。还有邓子新院士,他在代谢系统基因模块化方面有独到的工作。清华大学的陈国强也在用合成生物学的理念来改良他的细胞。他主要是用细菌来生产一种工程塑料前体,这是一种很重要的材料。外界的评论也认为,陈国强做的研究最像合成生物学。另外就是中国科学院微生物研究所的娄春波,他在研究一些基础问题的同时,也关心合成生物学成果的转化。

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