一文读懂合成生物学的那些事

2021-08-23 09:17:17, 杨子飞诺美

科学家一直在尝试从零开始制造全新的生命形式——用化学物质造出合成DNA（脱氧核糖核酸），由DNA合成基因，再由基因形成基因组，最终在实验室造出全新生物体的分子系统。

如果说1953年DNA双螺旋分子结构的发现让分子生物学家意识到，基因与细胞的关系就像计算机的软件和硬件，那么合成生物学正在做的就是设计新“软件”、开发新“硬件”。

合成生物学的概念

合成生物学以工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，是生命科学研究的新兴、前沿领域。

丹纳赫生命科学平台具有一系列的合成生物学方案，通过“设计—构建—测试—学习”这一闭环，深入掌握基因线路的设计原理，同时积累大批优质元件，从而让合成生物学的基因线路设计变得更加直接和可预测，提高研究效率, 重编程细胞，赋予它们新的能力。

图1：合成生物工作流程图

合成生物学的发展

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1828年，德国化学家Wohler人工合成了存在于生物体内的一种有机物质-尿素，从而打破了“生命”与“非生命”之间的物质壁垒。

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1960，我国科学家首次合成了具有生物活性的蛋白质-胰岛素。

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基因组和后基因组时代，科学家正在为人工合成生命而努力。有活性的X174噬菌体(5386个bp)和脊髓灰质炎(7500个bp)已被科学家先后合成。

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人工生命(以人工设计为主导)

图2：从2010年到2020年，合成生物学具有里程碑意义的研究成果

虽然我们很容易关注到合成生物学的许多重要成就（图2），但是真正推动该领域发展主要有两点：1. 大量艰苦的技术工作提高了我们对遗传元件或者生物系统的理解程度和设计能力；以及2. 新技术的发现和创新让我们在设计、构建、测序和学习DNA遗传元件上变得比以往都更加高效（图3）。

图3：在过去的十年间，新的使能技术和工作方式

加快了合成生物学的设计-构建-测试-学习过程

合成生物学的研究与应用

从合成生物学的平台建设、专利与产业、安全与伦理、投融资与经济、科技政策与法规等角度辐射合成生物学领域的发展动态，并按照工程生物学研究线路图（关键技术和应用领域）分为以下研究方向：

基因合成和组装，DNA Synthesis and Assembly；
生物分子工程，Biomolecular Engineering；
基因线路设计，Design of Gene Circuits；
宿主和菌群工程，Host and Community Engineering；
合成生物系统构建与应用（包含的应用领域：工业，诊疗与医药，食品，农业，环境，能源，材料），Construction and Application of Synthetic Biosystems (Industry, Therapy & Medicine, Food, Agriculture, Environment, Energy, Materials)；
机器学习（含数据科学），Machine Learning (Data Science)。

英国有句老话：When you turn 21, you get the keys to the door（当你年满21岁时，你就会拿到开门的钥匙）。今年合成生物学21岁了，似乎拥有了一套解锁生物科学和生物经济的钥匙。多家合成生物学公司以超过10亿美元的估值上市，基因组工程已渗透到生物科学研究的各个领域，DNA合成、编辑和重新编码正在帮助解决疑难杂症，也在新冠病毒检测和疫苗研发中做出了重要的贡献。