合成生物学—第三次生物技术革命

企业   健康   2024-10-01 12:01   上海  

“合成生物学”一个听起来很有科技感的词语,事实上这个学科确实很年轻。合成生物学是在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科,近年来,合成生物学的发展很快。

伴随着人工合成微生物、人工合成酵母染色体、青蒿素的发酵生产以及人工合成淀粉、葡萄糖和脂肪酸的实现,合成生物学被喻为是“认识生命的钥匙”(建物致知)和“改变未来的颠覆性技术”(建物致用)。合成生物学也被成为继DNA双螺旋结构和基因组技术之后的“第三次生物技术革命”。

什么是合成生物学

合成生物学是一个跨学科的研究领域,旨在创建新的生物部件、设备和系统,或者重新设计已经在自然界中发现的系统。它涵盖了生物技术、基因工程、分子生物学、分子工程、系统生物学、膜科学、生物物理学、化学与生物工程、电气与计算机工程、控制工程等各个学科的广泛方法论,并与进化生物学相关。

与传统生物学通过解剖生命体和研究其内在构造的方法不同,合成生物学的研究方向是完全相反的,它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。

有人会把合成生物学和基因工程混淆,基因工程是把一个物种的基因延续、改变转移到另一个物种的作法,合成生物学的目的是建立人工生物系统,让它们像电路一样的运行。

合成生物学的诞生史

19世纪初,人们普遍认为有机物是与生命现象密切相关的,是在生物体内神秘的“生命力”作用下产生的,只能从生物体中得到,不能人工合成,被称为“生命力学说”。

1828年,德国化学家维勒(F. Wohler)使用无机物氰酸铵人工合成了有机物尿素,从而给“生命力”学说以沉重打击。

20世纪初,法国化学家勒杜克(S. Leduc)试图通过物理的理论来解释生命的现象。他通过溶质渗透和扩散方法模拟了人工合成细胞及其次生细胞群,揭示了无机营养与人工丝状真菌发育的关系,并用矿物质模拟了生物的趋光性、趋化性和趋电性。

1913年,《自然》周刊系统评述了勒杜克的相关研究,合成生物学一词首次正式在学术期刊出现。

1950—1960年代,DNA双螺旋结构和胰岛素一级结构等先后被确定,具有生物活性的核酸和蛋白质等也实现了人工合成。我国科学家在1965年和1981年分别首次人工合成了牛胰岛素和酵母丙氨酸tRNA,证实蛋白质和核糖核酸都可以人工合成,从根本上推翻了所谓的“生命力”学说。

1980年Hobom B.提出合成生物学这个概念,用于描述基因重组技术。然而,随着分子系统生物学的发展,2000年E. Kool在美国化学年会上重新定义了这一概念,合成生物学是基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究。

在2003年,国际上对合成生物学的定义进一步扩展,包括了从基因片段、DNA分子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成。这一阶段的研究类似于现代集成型建筑工程,将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域。这标志着合成生物学的正式出现。

人工合成生命

2010年,美国文特尔(J. C. Venter)研究团队设计、合成和组装了1.08 Mb长的蕈状支原体基因组,并把它移植到已经剔除遗传信息的山羊支原体受体细胞中,创造了世界上第一个仅由人工化学合成染色体控制的、具有自我复制能力的新细胞“Synthia”。

2016年,研究人员在Synthia的基础之上,不断尝试删除基因组中的不必要基因,最终把901个基因删除到只剩下473个基因,制造出最简单的人造合成细胞——Syn 3.0合成细胞。文特尔也因此被誉为“人造生命之父”。

2011年,中国、美国、英国等多国研究机构联合开始实施第一个真核生物基因组合成计划——合成酵母基因组计划(Sc2.0),旨在对酿酒酵母的整个基因组进行重新设计、改造与人工合成。

2017年,Sc2.0团队完成了酿酒酵母synⅡ、synⅤ、synⅥ、synⅩ和synⅫ共5条合成型染色体的从头设计与合成,宣布有关合成型酵母基因组1/3的工作已经完成。

2018年,美国博克(J. D. Boeke)团队利用基因编辑技术将酿酒酵母的16条染色体融合在一起,构建出只含有2条染色体的“16合2”染色体新酵母菌株。与此同时,我国科学家通过15轮的染色体融合将酿酒酵母天然的16条染色体逐一融合,人工创建了只含有单条线型染色体的“16合1”染色体酵母细胞SY14。

应用前景

作为21世纪生物学领域催动原创突破和学科交叉融合的前沿代表,合成生物学不仅推动人类实现从“认识生命”到“设计生命”的伟大跨越,也将在一定程度上对生命科学研究范式进行改写,即通过设计、改造和创造生命体系来理解生命,从而探寻是否具有支配生命复杂体系的自然法则。

合成生物学在多个领域都有广泛的应用前景,例如在医疗健康、能源与环境保护、农业、日化美妆、生物基材料、食品消费等领域。

在医疗健康领域,合成生物学可以应用于药物的研究、开发和生产。通过基因编辑和合成生物技术,可以制造更安全、更有效的药物,满足人们对高质量医疗服务的需求。

在能源与环境保护领域,合成生物专业可以应用于生物能源的研究与开发。通过合成生物技术,可以制造出更环保、更可持续的生物能源,为保护地球环境,实现可持续发展做出贡献。

在农业领域,合成生物专业可以应用于作物改良、植物病虫害控制和生物农药创制等。

此外,合成生物学还可以应用于日化美妆领域,例如通过合成生物技术生产天然香精、高级化妆品等。

小结

有数据显示,从2021年开始,合成生物学就一直站在行业高点。即便是在一级市场相当低迷的2022年,合成生物学的投资热度也始终居高不下。

据动脉橙数据库不完全统计,2022年,我国合成生物学领域共完成54起融资,是医疗板块融资次数最多的细分领域之一。

参考来源:

1.https://mp.weixin.qq.com/s?src=11×tamp=1695363733&ver=4789&signature=7J2Yh-z960DMvtHFBDZ36Zd1zvGPLls7uRCY4gz*U7eCHKNFsdyu4n2KQ6wn*YJpv6lCpkBORQJbGbOd2A5dtgHuJMqu5KWzRe1wTMTmRYDkVZTsz5d449PILHGjuY5d&new=1

2.https://yiyan.baidu.com/

3.https://vibaike.com/114308/?ivk_sa=1024320u


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