基于合成生物学的先进生物制造技术

钟建江

上海交通大学生命科学技术学院

教授

1　工作原理与性能

什么是合成生物学？合成生物学就是采用标准化（standardization）等工程化设计理念，通过创造或改写基因组（好比电脑的程式码），对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，去了解生命运作的法则，创建赋予非自然功能的“人造生命”，让生命表现出预期的行为，执行预定的工作，以进行系统化设计与开发相关应用。

合成生物学是紧密结合工程学（engineering）与生物学的一门跨领域的新兴学科（见图1）。与合成生物学结合的领域包括分子生物学、基因组工程、资讯科学、统计学、系统生物学、电机电子工程等。分子生物学与基因组工程是合成生物学的根基，因为必须透过剪接DNA，才能写出所需要的作业系统；资讯科学、统计学与系统生物学，专精于生物资料的收集、分析与模拟；电机电子工程则是负责控制逻辑回路的设计。然而，有时候我们会把生命的方程式写“坏”了，就像你把电脑的作业系统弄坏了一样；电脑会因此开不了机，而生命机器也会因此不正常或是死亡。藉由尝试错误的过程，累积成功与失败的经验，人们就会渐渐了解生命程式的规则与语法，进而掌握撰写生命蓝图的法则。

图1　合成生物学的标准化、模块化与工程化特征示意图

在生命科学领域，第一次革命的代表是发现DNA结构和中心法则，第二次革命的代表是“人类基因组”计划，第三次革命是生物学的工程化，即合成生物学。从读取自然生命信息到写出人工生命信息，合成生物学即是由理解生命到创造生命的革命，打破了“非生命”与“生命”的界限。2006年以来，合成生物学发展进入了新阶段，研究主流从单一生物部件的设计，快速发展到对多种基本部件和模块进行整合；通过设计多部件之间的协调运作建立复杂的系统，并对代谢网络流量进行精细调控，从而构建人工细胞行为来实现药物、功能材料与能源替代品等的大规模生产。

2　应用领域与前景

利用合成生物学方法和理论，对生命过程或生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，创造解决生物医药、环境能源、生物材料和特种化学品等问题的微生物、细胞和蛋白（酶）等新“生命”，基于合成生物学的先进生物制造技术将在医学、制药、化工、能源、材料、农业等领域均发挥十分重要的作用，预期带来新一轮技术革命的浪潮（见图2），对于解决与国计民生相关的重大生物技术问题有着长远的战略意义和现实的策略意义。它有助于人类应对社会发展中面临的严峻挑战，从而从根本上改变经济发展模式，在带来巨大社会财富的同时，促进社会的稳定、和谐发展。

合成生物学所要催生的下一次生物技术革命正在取得迅速进展，包括更有效的疫苗的生产、新药和改进的药物、利用可再生资源生产可持续能源、环境污染的生物治理、可检测有毒化学物质的生物传感器等。特别是以人类的意愿和需求为目的，以工程学为指导，设计人工合成生物体系已成为微生物药物发展新的驱动力，从而理性地实现微生物药物创新和优产。

图2　基于合成生物学的先进生物制造技术将发挥巨大作用

致谢

在材料准备过程中，得到生命科学技术学院邓子新院士、冯雁教授、林双君教授、夏小霞特别研究员、杨广宇副研究员、于睛博士等的支持和配合，特此致谢。