走进合成生物学_刘虎虎.pdf

SCIENCE302023 年 3 月|75 卷 2 期随着国家“十四五”规划、“中国制造 2025”以及“健康中国行动”等一系列政策和文件的出台与实施，我国生物技术产业已经进入快速发展时期。其中新出现的合成生物学一词经常出现在新闻头条上，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）1,2。合成生物学的诞生与发展19 世纪初，人们普遍认为有机物是与生命现象密切相关的，是生物体内一种特殊的、神秘的“生命力”作用下产生的，只能从生物体内得到，不能人工合成，这就是当时的“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。这些研究结果揭示，生物学仅仅是流体物理学的一个分支，物质的物理学机制可能导致生命的出现。但是，因为当时知识和观察能力的局限，这些研究只能停留于生命表型和流体物理表型相关的“合成”描述，距离真正认识和改造生命的科学研究还很远。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。19501960 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。20 世纪 70 年代，随着重组DNA 技术的发展和日益成熟，“合成生物学”被再次提出。波兰遗传学家斯吉巴尔斯基（W.Szybalski）提出了合成生物学的愿景：“一直以来，人们都在做分子生物学描述性方面研究，但当我们进入合成生物学的阶段，真正的挑战才开始。我们会设计新的调控元素，并将新的核酸序列加入已存在的基因组内，甚至建构一个全新的基因组”，并认为“这将是一个拥有无限潜力的领域，几乎没有任何事能限制我们去做一个更好的控制回路。最终，将会有合成的有机生命体出现”。1990 年代后期，随着人类基因组计划的成功推进，各种“生物组学”以及生物信息学、系统生物学等交叉学科迅速发展，在世纪之交，研究者在“设计建造测试”的工程学理念基础之上，成功实践出利用生物元件构建成逻辑线路，如美国普林斯顿大学的伊洛维兹（M.B.Elowitz）等运用 3 个转录抑制系统相互抑制的关系，研制出新型基因振荡器。鉴于此，在 2000 年的美国化学学会年会上，斯坦福大学的库尔（E.Kool）重新定义了“合成生物学”概念，即基于系统生物学的刘虎虎，副教授；田云，教授：湖南农业大学生物科学技术学院，湖南长沙 410128。Liu Huhu,Associate Professor;Tian Yun,Professor:College of Bioscience and Biotechnology,Hunan Agricultural University,Changsha,Hunan Province 410128.走进合成生物学 刘虎虎 田 云21 世纪迅速发展的合成生物学不仅推动了人类实现从“认识生命”到“设计生命”的伟大跨越，也将为解决人类社会相关的环境污染、能源和资源危机等全球性重大问题提供重要途径，同时也引发了系列伦理问题与争论，亟须进行科学普及。知 识 讲 堂C O M P A S S31WeChat:kexuemag遗传工程和工程方法的人工生物系统研究，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。这标志着合成生物学的正式出现，随后迅速获得广泛关注，被认为是继 DNA 双螺旋结构发现和人类基因组计划之后的“第三次生命科学技术革命”。进入 21 世纪以来，合成生物学发展迅速，大致可以分为 4 个阶段：合成生物学的创建时期（20002003 年），这个时期产生了许多具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的建立及在代谢工程中的成功运用；摸索完善时期（20042007 年），这个时期的重要特征是虽然领域有扩大趋势，但工程技术进步比较缓慢；快速创新和应用转化时期（20082013 年），这个时期涌现出了大量新技术和新工程手段，特别是人工合成基因组能力的提升，以及基因组编辑技术的突破等，从而使合成生物学的研究与应用领域大为拓展；飞速发展新时期（2014 年至今），该时期研究成果全面提升，特别是酵母染色体的人工合成等领域取得突破性成果，为人类实现“能力提升”的宏伟目标奠定了重要基础。合成生物学的应用作为 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。此外，合成生物学通过基因网络工程，形成多学科交叉融合，其研究领域、研究内容和产业化应用等方面将迎来新的突破，也将为解决人类社会相关的全球性重大问题提供重要途径。合成生物学与人工合成生命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21 世纪以来合成生物学的代表性进展2020 年，在酵母中生物合成药用生物碱茛菪碱和东莨菪碱。2019 年，首个哺乳动物细胞器的人工合成；人工设计基因组微生物（大肠杆菌）的诞生。2016 年，人造胰岛细胞；人工合成最小细菌 JCVI-syn3.0.。2014 年，扩展生命遗传密码；人工合成酵母染色体。2001年，罗氏（Roche）公司开发出商业化的CFPS。2003 年，大肠杆菌中实现青蒿素前体途径的工程化。2005 年，设计出大肠杆菌中的光传感电路。2000 年，构建第一个合成开关生物开关和压缩振荡子。2015 年，酵母菌中实现吗啡的生物合成；合成人造细胞膜。2009 年，Gibson组装技术。2012 年，CRISPR 基因编辑技术。2010 年，首个基因组细胞 JCVIsyn1.0 的人工合成。2008 年，快速可调节的合成基因振荡器。2018 年，单染色体酵母菌株的人工合成。2013 年，酵母菌株商业化生产青蒿素前体。2017 年，实现非天然碱基在活细胞中编码蛋白质；5 条酵母染色体的重新设计合成。2021年，实现从二氧化碳人工合成淀粉。SCIENCE322023 年 3 月|75 卷 2 期胞Syn 3.0 合成细胞3，文特尔也因此被誉为“人造生命之父”。2019 年，英国剑桥大学泰真（J.W.Chin）研究组通过将大肠杆菌 4 Mb 长的基因组全部替换为合成基因组，创造出只使用 61 种密码子的人造基因组大肠杆菌 Syn61，打破了传统生命体中共有64 个密码子编码蛋白质的认知，这是迄今为止完成的最大人工合成基因组4。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。2014 年，安娜卢儒（N.Annaluru）等报道了首条完整的合成型真核生物染色体合成型酿酒酵母 3 号染色体（syn）。2017 年，Sc2.0 团队完成了酿酒酵母syn、syn、syn、syn和 syn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。其中，中国科学家领衔完成了其中的 4 条：天津大学元英进教授团队完成了 5号、10 号酿酒酵母染色体的化学合成5,6；清华大学戴俊彪研究员团队完成了当前已合成酿酒酵母染色体中最长的 12 号染色体的全合成7；深圳华大基因研究院团队联合英国爱丁堡大学团队完成了酿酒酵母 2 号染色体的设计与合成8。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 9。单条染色体虽然在三维结构上有极大的改变，但是单染色体的酵母具有与野生型菌株相似的转录组和表型组，并且单染色体的酵母还保持了减数分裂的能力，说明单染色体的酿酒酵母可以具有正常的细胞功能，颠覆了染色体三维结构决定基因时空表达的传统观念，揭示了染色体三维结构与实现细胞生命功能的全新关系。合成生物学与绿色生物制造合成生物学通过设计和构建细胞工厂，能够使细胞以淀粉、纤维素、CO2等可再生碳为原料，生产重要的化工产品、天然药物、食品、生物能源以及生物材料等产品，具有清洁、高效、可再生等优点，开创了传统石化产品、天然药物等产品的全新生产模式。青蒿素是一种应用非常广泛的抗疟药物，目前市售的青蒿素主要是从植物黄花蒿中进行提取，由于植物中青蒿素的含量稀少且青蒿素需求广泛，从而导致青蒿素供应不稳定。为了有效解决青蒿素的来源问题，迫切需要建立一种环境友好、廉价的青蒿素生产方法。2004 年，美国加州大学伯克利分校的基斯林（J.D.Keasling）课题组和生物技术公司 Amyris 合作开展半合成青蒿素项目。首先，研究人员根据植物中部分已知的青蒿素合成途径，设计青蒿素如何在微生物中进行合成。然后探讨青蒿素的合成途径在不同的微生物底盘细胞中是否适配。通过在大肠杆菌中异源表达不同来源的甲羟戊酸途径以及黄花蒿来源的紫穗槐4,11二烯合酶基因，成功合成了紫穗槐4,11二烯，产量达到 27 克/升，进一步将催化紫穗槐4,11二烯转化为青蒿酸的植物源 P450 氧化酶 CYP71AV1组装到大肠杆菌中，最终获得了能够生产 1 克/升青蒿酸的重组大肠杆菌，但仍不能满足生产的需求。因此，项目组尝试改用酿酒酵母来生产青蒿酸。首先，通过对酵母 MVA 途径中代谢调控关系的调整、关键酶基因表达量优化、前体物法尼基焦磷酸代谢支路的削弱，结合氧化酶 CYP71AV1 的表达，成功构建能够合成生物学绿色制造生物产品淀粉等粮食原料化学品、药品秸秆等农业废弃物食品生物燃料、生物材料CO2、CH4等含碳气体知 识 讲 堂C O M P A S S33WeChat:kexuemag生产 100 毫克/升青蒿酸的酵母菌株；然后，研究人员进一步通过基因挖掘、体系优化等系列措施，最终获得了能够生产 25 克/升青蒿酸的重组酵母菌株及其生产工艺，在此基础上，研究人员开发了从青蒿酸到青蒿素的化学合成方法，整个转化过程的收率为 40%45%。至此，项目组耗时 10 年完成了青蒿素的半合成工艺（微生物合成加化学合成）10。2013 年 4 月，法国制药业巨头赛诺菲（Sanofi）公司宣布开始应用 Amyris 开发的青蒿素生产工艺工业化生产青蒿素。2013 年 5 月，世界卫生组织批准微生物合成的青蒿素作为临床药物使用。2014 年，赛诺菲公司生产的青蒿素正式上市出售。青蒿素微生物发酵生产商业化的成功成为了合成生物技术的重大应用典范。此外，笔者实验室以 FDA 认证安全的解脂耶氏酵母为底盘细胞，通过“锦上添花”“移花接木”等方式设计合成途径，构建细胞工厂，实现了角鲨烯、前列腺素、二十二碳二烯酸以及虫草素等高附加值产品的绿色生物制造。这些事例证明了合成生物系统在生物产品绿色制造上具有巨大的潜力。合成生物学与伦理合成生物学对生命现象的探讨从认知转向合成，研究对象从自然生命转向合成生命，其发展也非常迅猛，具有广阔的应用前景，也引发了大量相关伦理问题与争论，其主要表现在以下几个方面。首先，设计新生命带来的伦理困境。人类是否具有构造新生命，打破自然约束和超越自然界限的权力？设计新生命的依据与重构的标准是什么？在多元文化交织的时代背景下，人类应该赋予新生命怎样的道德地位？人工新生命所带来的影响甚或危害该由谁来负责？另外，人的意志和文化将通过新生命的设计嵌入生命的进化当中，不仅将挑战以生物进化自然法则为基础的生命伦理，还将使人类进化的方向和前途面临更大的不确定性。其次，合成生物学涉及的安全风险包括生物安全和生物安保两个方面。生物安全主要是指由于合成生物的功能以及进化的不确定性，所以导致其研究从设计、制备、存储到运输、应用与环境释放等各环节都存在一定的安全风险；生物安保的重点是防止生物制剂和技术被某些群体滥用。例如，生物剂是检测、鉴定、预防和治疗等方面的基础资源，但细菌、病毒、真菌、毒素等生物剂也可通过生物学诱导、基因改构与合成等技术被制造成生物武器。最后，存在着潜在利益与风险的社会公平分配问题。合成生物学与其他科技领域相比，其潜在的利益和危害要更大。每个人都可能面临着合成生物产品威胁的潜在风险，范围直接涉及整个人类，所涉及的危害后果以酵母为底盘细胞半合成青蒿素的主要发展进程青蒿酸产生酵母菌紫穗槐二烯产生相关基因碳氢化合物氧化相关基因发酵与提取工艺的优化黄花蒿中氧化相关基因提高 P450 氧化酶活性化学加工纯化的青蒿素纯化的青蒿酸青蒿酸产生酵母菌青蒿酸产生酵母菌C15-碳氢化合物产生菌原始酵母菌株25 克/升青蒿酸40 克/升紫穗槐二烯低滴度低活性低滴度提高活性途径中间产物的积累SCIENCE342023 年 3 月|75 卷 2 期和预期收益均无法精确计算；该技术所生产的昂贵生物产品是否会成为富裕人群的特权，导致社会福利分配不公，加速两极分化。伦理监管包括基于“先行原则”和“预防式原则”两种模式。面对合成生物学的迅速发展以及对人类健康和生存方式的深刻影响，合成生物学的监管模式已经从“先行原则”模式逐步转变为“预防式原则”模式。针对合成生物学引发的伦理问题和安全风险，如何才能有效地保障其良性发展，值得我们认真思考。目前，我们不仅要密切跟踪合成生物学的前沿动态，实时评估其可能带来的安全和伦理风险，建立相应的伦理监管机制和风险防控体系，将潜在风险控制在社会可接受的最小范围之内，同时还需要高度重视包括合成生物学在内的前沿技术的科学传播和普及工作，促进公众对合成生物学的理解与支持。关键词：合成生物学 人工合成生命 绿色生物制造 伦理 3Hutchison C A,Chuang R Y,Noskov V N,et al.Design and synthesis of a minimal bacterial genome.Science,2016,351(6280):6253.4 Fredens J,Wang K,de la Torre D,et al.Total synthesis of Escherichia coli with a recoded genome.Nature,2019,569(7757):514-518.5 Xie Z X,Li B Z,Mitchell L A,et al.“Perfect”designer chromosome V and behavior of a ring derivative.Science,2017,355(6329):4704.6Wu Y,Li B Z,Zhao M,et al.Bug mapping and fitness testing of chemically synthesized chromosome X.Science,2017,355(6329):4706.7 Zhang W,Zhao G,Luo Z,et al.Engineering the ribosomal DNA in a megabase synthetic chromosome.Science,2017,355(6329):3981.8Shen Y,Wang Y,Chen T,et al.Deep functional analysis of syn,a 770-kilobase synthetic yeast chromosome.Science,2017,355(6329):f4791.9Shao Y,Lu N,Wu Z,et al.Creating a functional single-chromosome yeast.Nature,2018,560(7718):331-335.10Paddon C J,Westfall P J,Pitera D J,et al.High-level semi-synthetic production of the potent antimalarial artemisinin.Nature,2013,496(7446):528-532.1 张先恩.中国合成生物学发展回顾与展望.中国科学:生命科学,2019,49(12):1543-1572.2Cai T,Sun H,Qiao J,et al.Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide.Science,2021,373(6562):1523-1527.本刊讯 在国家自然科学基金项目等资助下，西北工业大学生态环境学院邱强和王文团队、中国人民解放军第四军医大学西京医院黄景辉团队、长春科技学院李春义团队与吉林农业大学李志鹏团队合作，在鹿角再生机制研究并用于骨组织再生修复方面取得进展。研究成果以“鹿角中发现具有强大再生潜力的干细胞群”为题，于 2023 年 2 月 23 日在线发表于 科学（Science）杂志上。人体组织器官再生是重要的世界科技前沿方向之一，2021 年被列入科学杂志发布的“125 个科学新问题”。一些低等脊椎动物具有以无疤痕方式愈合，再生丢失器官或附肢的能力，但随着物种逐渐进化，哺乳动物的再生能力却逐步丧失。目前，哺乳动物的器官再生都是有限和不完全的。因此哺乳动物（包括人类）器官、附肢的再生机制研究，对组织器官损伤修复、抗器官衰老具有重要意义。长期以来，科学家一直试图从斑马鱼、蝾螈等再生能力极强的低等脊椎动物中寻找答案，然而它们与人类亲缘关系较远，限制了相关研究成果向临床医学的转化。该研究团队以鹿角再生机制为切入点，收集了鹿角再生过程中 8 个阶段的样本，利用单细胞转录组测序描绘了鹿角再生发育细胞图谱，并分析了鹿角再生过程中的细胞动态演变图谱，发现了一种特殊的间质细胞类群，命名其为“鹿角芽基祖细胞（antler blastema progenitor cells,ABPCs）”。研 究团队对鹿角快速生长阶段的 5 个生长中心组织层单细胞转录组测序以及多转录组测序，发现 ABPCs 位于鹿角的尖部，提供了鹿角持续生长的干细胞池。通过跨物种比较，发现可再生的小鼠指尖芽基中存在类似于ABPCs 的细胞群，而蝾螈四肢和斑马鱼尾鳍芽基中不存在这种细胞，提示哺乳动物与非哺乳动物有着不同的再生机制；进一步与小鼠胚胎骨骼发育单细胞转录图谱进行比较，鉴定出了 151 个与骨骼发育相关的高表达基因；在裸鼠肾囊膜下异位成骨模型以及兔子骨缺损修复模型中发现，ABPCs 的骨骼修复能力显著优于骨髓间充质干细胞。该研究揭示了鹿角再生及其快速生长的细胞学基础和分子机制，为骨组织再生修复研究提供了一种新的干细胞类群，也为哺乳动物的再生医学研究提供了新的方向。（方德声）鹿角再生机制研究跟踪扫描 NEWS(KEXUE)Bimonthly(Since 1915)Vol.75,No.2Zhou GuangzhaoBai ChunliISSN 0368-6396CN31-1385/NSCIENCEHonorary PresidentPresident of Editorial BoardPublisherShanghai Scientific andTechnical Publishers(http:/)Office159 Haojing RoadRoom A1006Shanghai 201101,P.R.C.E-Telephone[phone]Fax[phone]DistributorChina International BookTrading Corporation(P.O.Box 399,Beijing)Code NumberBM 1188Date of Publication2023-3-251 The Overview of Liquid Gating TechnologyBy inspiration from nature and introduction of liquids as structural materials into the design of porous materials,liquid gating technology is developed,which breaks through the limitations of traditional solid porous material design based on the characteristics of liquid,and brings new possibilities to improve the performance of porous materials.5 Liquid Gating Technology for Biomedical Engineering ApplicationsBioinspired liquid gating technology shows great potential for biomedical engineering applications.It exhibits excellent potential,for instance,in antibiofouling microfluidics and anti-coagulation,and positionally drug-releasable catheters.9 Liquid Gating Technology for Energy Conservation,and Environmental Protection under Carbon NeutralizationBioinspired liquid gating technology with the advantages of energy saving,environmental protection,and reduction of carbon dioxide emissions will provide brand-new solutions for sustainable economic development.13 Liquid Gating Technology for Substance DetectionAs an emergent substance detection technology,liquid gating technology can be used to build a new type of care testing platform for the visual quantitative detection of target molecules.17 Micro/Nanofiber and the Application ExplorationAs a one-dimensional micro/nanowaveguide with diameter close to the wavelength of the guided light,an optical micro/nanofiber shows characteristics of uniform diameter,smooth surface,low loss,high mechanical strength,tight optical confinement,and large fractional evanescent waves.22 Supercomputation:Paving the Road to the Endless FrontierSupercomputation focuses on building the fastest and largest computers,and developing extreme-scale scientific softwares for these computers.27 Ecological Environment Influence and Enlightenment of Plateau Industrialization in BoliviaBolivia is known as“South American Tibet”.The analysis of Bolivian plateau industrialization process and its impact on ecological environment will provide inspiration for whether or how to take the road of industrialization on the QinghaiTibet Plateau in China.30 Introduction of Synthetic BiologyThe rapid development of synthetic biology in the 21st century not only enabled human beings to design life,but also provided an important approach to solve the major global problems related to human society.35 A Tangible Balance of Water and Oil:Bicontinuous Interfacially Jammed Emulsion GelIn recent years,Bijel has drawn great attention and has been developed with different components.Specifically,the creation of Bijel by direct mixing at room temperature is highlighted.40 Solomon Lefschetz,US Mathematician,and His Contribution to TopologySolomon Lefschetz was one of the top mathematicians in the early topological research,and also one of the main founders of the Princeton Topology School in the United States.44 The Giant in China Industrial Microbiology:Chen Taosheng and His Technological AchievementsChen Taosheng,one of the most prominent practitioners and founders of Chinas microbiological industry and industrial microbiology,made pioneer contributions in innovating the traditional fermentation technology,and establishing a new system of the industrial microbiology,and its higher education.49 A Couple of Arguments about the Biography of Dr.Fuching Yen:Based on His Manuscript at Age 74Was Dr.F.C.Yen appointed as deputy dean of Peking Union Medical College between 1926 and 1927?Was Dr.F.C.Yen the founder of Shanghai Medical College in 1940s?What was the major academic achievement of Dr.F.C.Yen in his lifetime?54 Su Buchin:The Founder of Chinese Differential Geometry56 Be a Good Storytelling Scientist:Comment on the book the Feeling from Reading Ten Years of Long Mountain Road59 Statistics and Analysis of Chinas Scientific and Technological Papers in 2021Zhang Yunmao,Han Yuhang,Wang Miao,et al.Wang Chunyan,Wang Shuli,Hou XuYu Shijie,Lei Jinmei,Hou Yaqi,et al.Wang Huimeng,Fan Yi,Zheng Jing,et al.Tong LiminFu Haohuan,Huang Xieqin,Zhao Yi,et al.Ma HaitaoLiu Huhu,Tian YunLi TaoXu JiawenWang Jian,Tian BaowenFang YifangLi TatsienZhou ZhekunInstitute of Scientific and Technical Information of China MAIN CONTENTSSPECIAL TOPICFRONTIERFORUMCOMPASSORIGIN&DEVELOPMENTARCHIVESBOOK REVIEW