合成生物有多神奇,合成生物有多神奇知识
2022-09-07 12:32:20
过去,人们一直在想象着怎样改善社会和环境,现在,在合成生物学的支持下,人们正在实现这些梦想。合成生物学是一项关于创造自然的神奇技术——人们需要先把拼接大自然的“原始积木”拆开,然后以更适合人们需要的方
正文摘要:
过去,人们一直在想象着怎样改善社会和环境,现在,在合成生物学的支持下,人们正在实现这些梦想。合成生物学是一项关于创造自然的神奇技术——人们需要先把拼接大自然的“原始积木”拆开,然后以更适合人们需要的方式重新搭建起来。制造生物燃料、帮助改善干细胞生物学,这些都是合成生物学。合成生物学依赖基因工程、生物工程、系统生物学和许多其他工程学科,并且需要使用这些学科所提供的工具。人们改造“生物”的进一步发展,就诞生了合成生物学这门技术。合成生物学有多种类型。另一个需要担忧的问题是,尽管合成生物学目前监管严格,用的是类似于监管转基因生物的策略,合成生物有多神奇究竟是怎么一回事,跟随小编一起看看吧。
图片来源@视觉中国
文 | 观察未来科技
过去,人们一直在想象着怎样改善社会和环境,现在,在合成生物学的支持下,人们正在实现这些梦想。合成生物学是一项关于创造自然的神奇技术——人们需要先把拼接大自然的“原始积木”拆开,然后以更适合人们需要的方式重新搭建起来。制造生物燃料、帮助改善干细胞生物学,这些都是合成生物学。
如今,人们已经可以用酸奶肃清霍乱,可以生产酵母来给汽车提供动力,还可以改变微生物基因来清理环境。在未来,人们甚至还能用现有的生物实现电子工程干的事情——生物计算机将与普通计算机一样实现逻辑门运算,这无疑为生物学开辟了新的道路。
从基因模块到合成生物
合成生物学是一个新兴领域,它主要是运用工程技术来设计和构建新的生物部件、设备和系统,以实现自然界中不存在的新颖功能或生命形式。合成生物学依赖基因工程、生物工程、系统生物学和许多其他工程学科,并且需要使用这些学科所提供的工具。
实际上,人们很早就已经在尝试改造“生物”以创新自然。早在12000年前农业开始出现的时候,人们就一直用驯化驯养,进而用育种和人工选择的方法改良动植物。人类诱捕酵母和细菌来制作啤酒、葡萄酒和奶酪;驯服动物,使动物能够成为人类最好的朋友;人们还巧妙地把草原变成食物来源。
人们改造“生物”的进一步发展,就诞生了合成生物学这门技术。合成生物学的诞生,还离不开一个重要的背景,就是人类对于基因的认识。
我们可以将基因看作是大自然的原始码。几十年前,人类逐渐学会了能又快又精准地萃取基因、描述其特性,并开始思索如何将基因植回生物体内——有时植人相同物种,有时植入完全不同的物种。研究人员可能会保持基因完好,以观察其表现;或是予以修改,甚至蓄意破坏,来观察这些部分受损的基因会发生什么事,并基于此来测试不同基因的作用。这就是所谓的基因工程。
基因工程技术之所以能成真,在于所有生物的基本组成单位都是一样的。地球上所有生物都由四个“字母”排列组合而成,这些字母组成有意义的DNA,编写出基因,再转译成22种胺基酸;这些胺基酸互相链结,形成了蛋白质——蛋白质则是构成生命体的主要成分。
在基因工程的背景下,一个“即插即用”的方法正在被开发出来,以便于分子水平上的操作,那就是合成生物技术。通过合成生物学,人类得以建立了一套系统,截取这些经过千万年演化的基因并进行重新组合。
合成生物学有多种类型。一些研究者不仅为特定目的而重新编写基因码,更以这些“字母”重新编写出自然界没有的DNA“语言”。另一些科学家则着眼于将DNA作信息储存之用,毕竟,DNA对生物的作用本质上来说就是保存信息。就这一点来说,基因即是信息,DNA 则是极其稳定的数据格式。
未来,久经测试的基因模块可以由专业人士甚至非专业人员组合在一起,生产不同的生物工程产品。人们可以从一个干细胞中培育出新的有机体,可以在几个星期内破解任何现存有机体的基因组序列,包括表观遗传指令编码。在合成生物技术下,人们有潜力重新创造这个星球上的任何生物体。
对于濒临灭绝的动物群,人们也有了更好、更有力的保护措施。2008年,人类完成了长毛猛犸象的基因测序,据说日本研究者用现存的有亲缘关系的大象作为代孕母亲来克隆它们。利用合成生物学复活灭绝物种极有可能成功,因为任何丢失的基因信息都可以用“即插即用”的基因模块替代。
一条并不普通的领带
出乎人们意料的是,合成生物学的里程碑是一条并不普通的领带。
蜘蛛丝领带是外螺纹(Bolt Threads)生物科技公司的第一项商品,也是生物技术发展的一个里程碑,虽然未能实现商业化,但也却给人们带来了足够多的震撼。毕竟,这条领带是以蜘蛛丝织成,这也解释了它的定价为什么如此昂贵。
要知道,蜘蛛丝是一种出色的材料,不同品种的蜘蛛在不同的情况下可以分泌出结构各异的丝蛋白,用来结网、包裹猎物或保护卵囊。每一种蜘蛛丝靭性和延展性都不是人类能够简单复制的。就承重性来说,蜘蛛的丝线比钢铁更强韧。
位于蜘蛛腹部的纺丝器像一个构造复杂的内嵌式水龙头,会依照所需蛛网类型重新排列丝蛋白分子,而喷出的蛛丝会从液态变成固态。虽然人类非常想要采集蜘蛛丝,但蜘蛛却是出了名的难养。多数蜘蛛都没有群居的习惯,并且还会同类相食,种种习性都不利于产业化养殖,因此,想收集足量的蛛丝纤维来制造产品可以说是极其困难。然而,外螺纹生物科技公司却利用酵母合成了与蜘蛛丝几乎无差的“蜘蛛丝”。其背后,正是合成生物技术。
实际上,一直以来,人类都在设计如何让动植物产出原料,供己所用。然而养殖技术终须受限于有性生殖漫长又繁琐的过程。并且这样的繁殖只能存在于同类物种之间。现在,有了合成生物科技,就可以打破这些限制,把位于演化树不同分支上,甚至相隔亿万年的物种两相结合,比如蜘蛛与酵母。合成生物学的工作就是提取出生物的原始码,将其重新设计成效率更高的生物工厂。
合成生物学不仅能成功跨界到服装业,在服装业之外,医学、农业、药品、能源,以至探索宇宙的方式都正在等待合成生物技术的开发。
对于医学而言,合成生物技术也是一种全新的推动力。快速可靠地合成多部件系统,使之走出实验室并成为一种可用于交易的标准化产品,这是现代技术能力的标志。这种科学背后的愿景是,这些生物部件可以连接在一起,创造出细胞、组织或生物系统,以可预期的方式可靠地执行特定的任务。合成生物学家最终希望能够对细胞、细胞系统或组织进行编程,以执行特定的任务和功能。
而如果我们可以设计和生产人工细胞,那就意味着新的医学时代已经不远了。人工细胞、器官和骨骼以及合成的DNA将被用于再生人类,从而击败衰老,催生长寿市场,这对人类具有巨大价值。
在医学的新未来中,一个完整的医疗供应链被创建出来,致力于长寿、再生、人类健康和人类物种的医疗增强。正如我预测的那样,这将导致一个新文明的出现,不仅会消除大多数疾病,而且会从医疗上完全改变人类的进化,使人类能够活得更久、更健康、更聪明。
迷人的危险
当然,合成生物学的未来并不限于地球。比如,美国太空总署(NASA)就投入了大量人力物力发展合成生物技术。
毕竟,当航天员抵达其他星球,就会需要氧气、食物和安全的住所。通过合成生物技术,航天员就可以运用标准化的生物元件制造细胞,来生成氧气,甚至砖块。这些细胞会分泌带黏性的分子植入模仿火星风化层的沙土后,将凝固成砖块。这项技术需要一整个试管的细胞、一点水和火星上的沙子,而其中只有一种原料需要从地球带过去。
当然,长期下来,真正能落实的合成生物还是太少。毕竟,理想中的合成生物成为现实,表现未必合乎预期。就像研发中的电子产品,按设计原本该出现清晰的数据输出,却常被系统噪声扰乱。生物传感器也好,药物或者是燃料也好,当前,依然有许多输出都受到阻挠。人们依然需要更沉着、务实的计划来发展合成生物技术。
另一个需要担忧的问题是,尽管合成生物学目前监管严格,用的是类似于监管转基因生物的策略,但是当合成生物产品涌入自然界,人们又该如何控制?在分子的层面人们能控制得很好,并不代表从个体和生态层面也能做到万无一失。
比如,人类确实可以将基因或者基因组的顺序打乱,来创造大自然还没来得及创造的东西,但是生物学单元不会孤立地存在。基因、蛋白质复合物以及细胞模块组成的单元复合体,它们总是在个体内部不断进化,以应对多变的环境。
模块可以循环交换,从而使系统具有可塑性。当然,这种可塑性必须遵守一定的规则,合成生物学正是构建在这些规则之上。人类真的已经对分子原则了如指掌,从而敢于将合成生物放归自然生态系统了吗?事实是,即使在实验室条件下,当然,人们对控制典型生物细胞分化的表观遗传过程还所知寥寥。
合成生物技术必然推动生态系统改变着它们的形式、功能和关系。我们可以在实验室中创造出看上去完美无瑕,表现也无可挑剔的生物单元,但是人类不能控制生态和进化将如何把合成生物单元重新连接到生态系统中,同样我们也不能预测合成单元会如何重新联系生态系统和它的栖居者。
“创造自然”当然是迷人的,但也是危险的。人类真的能在创造出的生物体上安装一个“停止进化”的开关吗?又该如何确定合成生物的可控?当工程化模块毁坏,或者它们转移到其他生物体上,又会导致什么样的结果?这些对于目前来说,都是不可想象的,但却是人们必然要面对的未来。(本文首发钛媒体APP)
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合成生物学:生命科学的“利器”
人民网-人民日报
人类进入21世纪以来,一门新兴的交叉学科“合成生物学”成为国际科学前沿一大热门。
合成生物学,能利用大肠杆菌生产大宗化工材料,摆脱石油原料的束缚;酵母菌生产青蒿酸和稀有人参皂苷,降低成本,促进新药研发;工程菌不“误伤”正常细胞,专一攻击癌细胞;创制载有人工基因组的“人造细胞”,探究生命进化之路;利用DNA储存数据信息并开发生物计算机……作为科学界的新生力量,合成生物学进展迅速,并已在化工、能源、材料、农业、医药、环境和健康等领域展现出广阔的应用前景。
探究生命起源演化
解读“密码”改造自然
生命是世界上最复杂的物质存在。人类自诞生以来,就在认识生命的漫漫长途中上下求索。从中国古代的《黄帝内经》和《本草纲目》,到西方近代博物学家对动植物分类,人类对于生命现象的认识,都是从对生命体的“宏观”观察、“表观”描述而获得的经验型逻辑总结。另一方面,对于譬如尿素之类的“有机物”,化学家们也认为只能由生物体在一种神秘的“生命力”作用下产生。
1828年,德国化学家弗里德里希·维勒无意在无机实验中合成了尿素,揭开了人工合成有机物的“合成化学”序幕。也就是从19世纪后期到20世纪前半叶,基于数理化技术与方法的实验科学催生了认识生命共同本质的细胞生物学、生物化学、遗传学和发育生物学,而进化论的诞生,则最先将人类对生命的认识,提升到了理论的高度。
20世纪中叶,随着DNA双螺旋结构的发现,分子生物学“中心法则”的确立,人类开始找到生命现象的“密码本”。而生命另一类基本分子,具有生理活性的蛋白质牛胰岛素一级结构的解析,直接导致了我国科学家于60年代完成其全人工合成,即世界上首次人工合成蛋白质。在同一时代,DNA测序技术的建立,实现了人类“读基因”的梦想;DNA重组技术的建立,实现了人类“写基因”的梦想;再加上在基因定向突变与敲除基础上的“编基因”梦想的实现,分子生物学及基因工程技术在上世纪80年代,将生命科学推向了历史上第一次革命的顶峰。
至20世纪末,人类基因组计划带来了第二次革命,实现了基因组的全面“解读”,人类对生物体组成和生命规律的认识达到了前所未有的系统生物学的深度和定量生物学的精度。2010年,科学家合成约100万碱基的支原体基因组,并将其转入另一种支原体细胞中,获得可正常生长和分裂的“人造生命”,实现了“撰写”基因组的梦想。此后,科学家又合成了非天然核苷酸、非天然氨基酸;并采用“编辑”基因组的手段,创建出人造单染色体真核细胞……人类掌握了“读”“写”“编”基因组的技术手段,获得了设计与合成生命的能力,200年前盛行于世的“生命力”学说被完全克服。
什么是合成生物学?
有什么样的认识(科学)和手段(技术)就有什么样的工程。古代,通过“尝百草”检验植物药性,建立中药体系,通过人工驯化与优选,获取种质资源,建立畜牧业与农业体系,都是利用当时的生物认识和生物技术,造福人类的典型工程实践。今天,怎样利用对生命“密码本”的认识及对其“编写”的手段,改造自然、造福人类?21世纪初,科学家们将工程科学的研究理念融入现代生命科学,发展出以合成生物学为代表的“会聚”研究,促成了生命科学的第三次革命。
合成生物学采用工程学“自下而上”的理念,打破“自然”和“非自然”的界限,从系统表征自然界具有催化调控等功能的生物大分子,使其成为标准化“元件”,到创建“模块”“线路”等全新生物部件与细胞“底盘”,构建有各类用途的人造生命系统。这一与系统生物学“自上而下”解析理念相反的合成理念,也将我们习以为常的“格物致知”研究策略,推进到了“建物致知”的新高度。这样,进化过程中“猜测”的祖先物种或分子体系,将可能被合成,并加以定向的诠释;而被各种“假说”“对照”分割研究的复杂生命现象,也可以实现整合的定量研究,解析因果机制。
合成生物学采用工程学“设计—合成—测试”的研究方法,在学习抽象自然生命系统的基础上,或对自然生物系统“重编程”,或重头设计具有全新特征的人工生命体系;然后,利用“基因编辑”“基因合成”等“工具包”,用实验方法来构建,再对构建出来的生物系统进行测试,如此反复循环优化,形成了一个正向可靠的科学闭环。建筑在如此大规模通用化工程平台基础上的合成生物学,往往也被称为“工程生物学”,它“建物致用”的工程能力,有望为解决健康、能源、粮食、环境等重大问题做出新贡献。
破解资源环境难题
赋能人类健康事业
当前,资源短缺、环境污染、气候变化等全球问题日益凸显,合成生物技术为实现“社会—生态/环境—经济”和谐发展提供了全新解决方案。
石油是储量有限的不可再生资源,迟早有枯竭的一天,这是人类生存发展必须严肃应对的问题。在理论上,绝大多数石油化学品都能够借助合成生物学技术制得,人们还可通过生物合成技术制造出传统化工无法合成的新燃料。同时,合成生物学在人工固碳、利用二氧化碳方面取得进展。例如,科学家通过对细菌进行人工优化和改造,建造可将大气中的二氧化碳转化为酮、醇、酸等化学品的“细胞工厂”,实现二氧化碳等资源的高效综合利用,推动建立低能耗、低污染、低排放的低碳经济模式。
随着全球人口不断增长,环境污染加剧和气候持续变化,人类食品和环境安全面临巨大挑战。利用合成生物学技术,创建适用于食品工业的细胞工厂,将可再生原料转化为重要食品组分,这被认为是解决食品问题的可行途径。在农业生产中,氮肥使用量大幅增加带来的土壤板结和酸化等问题,可以通过合成生物学“微生物固氮”技术得以有效解决。在环境治理领域,可以通过“定制”微生物去除难降解的有机污染物,也可开发出人工合成的微生物传感器,帮助人类监测环境,设计构建能够识别和富集土壤或水中的镉、汞、砷等重金属污染物的微生物,以大幅提升污染治理效能。
合成生物学在生命健康领域也有广阔的用途,不仅能够用于天然产物等医药产品的生产,还能在疾病研究模型的开发、生物标志物监测、干细胞与再生医学等领域发挥巨大作用。例如,人体肠道内具有丰富多样的微生物,合成生物学为肠道微生物的改造提供了工具:一方面,可以设计改造对人体有益的细菌,让它们生产人体自身不能合成的维生素等营养物质;另一方面,可以设计出感知肠道环境变化的“智能微生物”,对人体内的健康状态进行检测和诊断。
在抗击新冠肺炎疫情中,合成生物学技术发挥了重要作用,展现了强大应用潜力。例如,利用DNA条形码技术改进测序流程、利用基因编辑技术开发核酸诊断试剂,提高诊断的准确性和灵敏度。利用合成生物学技术还可以寻找潜在的小分子药物、开发疫苗,以及通过调节人体微生物组来激活人体免疫系统,提高人体抗病毒能力。
改造生命的目的,是为了更好地认识和调控生命现象,使之为改善生态、提高人类生命生活质量服务。未来,在人工智能和大数据等新技术推动下,合成生物学将赋予人类更强的“改造自然,利用自然”的能力,当然,同时也会带来社会伦理与安全等新问题。我们必须在思想上明确该做什么,怎么做才是正确的;在做好风险评估并开发防控风险的技术和策略的同时,及时制定相应的研究规范、伦理指导原则和相应的法律、法规,并辅以可落实的管理规章与监管办法。
人类数百万年对于生命的探索,经过最近两个多世纪的三次革命,才达到了“合成生物学”的高度,形成了工程化的能力。然而,这只是“万里长征第一步”。用好合成生物学的“利器”,为实现建设社会主义现代化强国的理想作出贡献,还需要投入大量心血,提升知识、创新技术、踏实转化、服务需求。中国科学工作者对此责无旁贷。
(作者为中国科学院院士、中国科学院合成生物学重点实验室专家委员会主任)
制图:赵偲汝
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3.《合成生物学》:李春主编;化学工业出版社出版。
《 人民日报 》( 2020年11月17日 20 版)