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合成生物学:产业前景如何?

时间:2016-09-20 19:13来源:界面新闻   作者:未知 阅读:


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合成生物学的支持者在为分子生物学引入了一系列原则,这些原则直接受到了工程学的启发。其目标是:改变生物体,使他们产生新的分子。在卫生、能源、材料、环境和农业等领域将有许多应用。那么,这一向产业的过渡将如何展开?这一点,成了当前需要解决的主要问题。

合成生物学的早期主要是一种思想革命。它的起源可以追溯到十九世纪中叶,一方面,进化论出现,另一边,农业转型,从单纯实践到一门科学。生物学的世界,或者更广义的说,我们对生物的概念,从那一刻起,发生了深刻的变化。

随后,生物化学的出现,结合了生物与化合物的研究。 “生物化学”一词出现在十九世纪末,显示了人们对发生于生物体内的化学反应的兴趣增加:细胞、分子合成或降解产生的能量…对生物体内化学反应机制的更好了解,很快涉及到了干预和改变的概念。

美国植物学家路德·伯班克(Luther Burbank)随后开始将植物培育比做“建筑”。斯特凡·勒杜克(Stéphane Leduc),一位来自南特的法国医生,在1921年提出“合成生物学”一词,他写道,合成方法“似乎是最有成效、最有可能向我们揭示生命现象的物理机制,这方面的研究甚至还没形成体系。”

然而,直到二十世纪50年代和60年代,合成生物学开始被从技术的角度来考虑,电子显微镜等工具的发展,使得在分子水平上对生物学进行理解取得重大进步:其中之一是DNA在1953年的发现。

同时,越来越明显的是,即使进化是随机的,数学原理却仍然主宰着生物网络。之后,在20世纪90年代末,系统生物学的兴起提供了肥沃的土壤,一些工程师开始把注意力集中在此。他们的座右铭:不能被创造的东西,就是我不了解的,这句来自物理学家理查德·费曼的名言,是他在加州理工学院期间的一次演讲中提出的。

我们知道,在世纪之交,德鲁·恩迪(Drew Endy)和汤姆·奈特(Tom Knight)奠定了合成生物学的基础。他们在2004年发起的iGEM学生竞赛,对合成生物学的发展至关重要,导致后者在2007年在法国巴黎的跨学科研究中心被介绍。正是通过参与这一竞争,许多研究人员被吸引到这一新兴领域。

合成生物学的支持者在分子生物学中引入了一些原理,直接灵感来自于工程学:模块化、标准化和抽象化。“生物积木”的概念,就是指一段标准化、可重复使用、呈现出某种特定行为特征的DNA序列。

生命小工厂

合成生物学既是笛卡尔主义又是还原论。但是对生物学过度简化,可能会导致忽略活生物体在几十万年的演化中发现的某些“机巧”,这些“机巧”能教给我们很多有趣的知识。

活生物体是非常有效的。例如,细胞成分在空间中的组织严密,存在各种被称为“细胞器”的隔间。许多细菌专门在这些微室进行某些代谢反应,从而提高了相关酶的效率。很容易地理解,人为地控制这些代谢通道的空间组织将会多么有趣。

这是DNA纳米技术的来源。该区域使用DNA碱基互补在一个纳米级尺度内设计基因片段,按照某种预定模式:在二维或三维空间内构造的纳米线(nanowires)。是否可以利用这门科学来构建人工“细胞器”来隔离某种代谢途径,从而提高其精度和性能?

在纳米技术和合成生物学之间建立一座桥梁不是一件容易的事。首先,DNA纳米技术以前只是试管科学。如何通过20年的体外实验,同时管理该领域所要求的所有排列原则,使其在体内正常工作?还有,如何用RNA代替DNA?RNA可以在细菌细胞中大量生产,但需要解决稳定性的问题。最后,如何在体内表征这些结构?在科学的崎岖道路上冒险,往往需要开发新的探索技术。

在这么多领域之间的前沿工作需要开发新的实验方法和思维科学,但也带来了一些监管问题,这些问题对道德发生影响——虽然我们现在不会讨论——必须进行辩论。

但是,现在的主要挑战是关于技术和产业的。因为,除了在教学领域,合成生物学的目的是转移微生物的新陈代谢,使他们变成生命微工厂。

这些工厂特殊性在于,它们在一定的物理条件(温度、压力)下能够完成惊人的化学反应(温度,压力),能源成本比传统工业中的化学合成低得多。一些微生物也可以利用我们的工业废物(例如纤维废料),甚至直接利用太阳能和二氧化碳。最后,你永远不会看到一个工厂完美复制自身——但生物学可以!

通过调动生物资源,我们可以从根本上改变一些问题的本质,特别是在能源领域。

例如,对化石能源的依赖代表了当代社会重要的地缘政治和气候挑战。上一代生物燃料——不用与食物资源竞争——不失为一种有趣的解决方案来缓解目前和未来的能源危机。

氢的生产也是要考虑的,因为氢的能量密度比乙醇大四倍,唯一的排放是水。氢分子可以通过不同的酶产生,只需要从大自然这个天然的“应用程序商店”找到各种酶进行组合测试。著名的细菌(大肠杆菌)就能生物合成氢;在他的博士论文中,卡米尔·德尔贝克(Camille Delebecque)开发了一种合成RNA细胞器,比天然存在的更有秩序,效率高出48倍。

工业轨道

合成生物学让隔离有趣的代谢途径称、提高其生产力变得可能,也让它与产业更近了一步。

类似的应用已经存在于制药、化妆品,食品添加剂行业,以及再生医学、废物处理(制造能在环境中降解有毒物质的细菌)、农艺学(监测土壤养分质量、开发生物传感器)。农业上,杀虫剂项链或补丁的制造正在研究当中。当然,绿色化学和生物燃料的生产也在最前沿:美国Craig Venter公司已经与埃克森美孚、BP签署了开发连续生产碳氢化合物的微生物(乙醇和丁醇)的合同。一些数字包括:2025年市场预计是1兆美元,合成生物学很可能是生物技术的未来。

对产业转型更是明显,因为合成生物学是来自于文化和具体的技术方法,这些方法在很大程度上受工程学的影响。

但这种工程文化开辟了新的机遇,不应该被低估。远不局限于得天独厚的实验室与大型制药公司和其他拥有专利壁垒的公司,合成生物学是一个合作学科,导向交易和更开放的合作创新形式。工程原理的应用促进了快速增长,特别是通过一些基于他人研究、容易交流和创造的DNA片段。这些特点可以变成强大的传播力,促进经济发展。

这是对 Synbio Consulting这样的公司的挑战,这家公司旨在促进非专家、但有能力发现潜在有用功能的人士的贡献。它可以特别关注发展中国家的农民,农民很了解当地现有的资源。

各种如WHO一样的机构,比尔和梅林达·盖茨基金会和美国科学院,近年来已经认识到生物力对发展做出的贡献,有助于开发新的药物、疫苗或抗生素。为了向创业项目提供知识和帮助,本地生态系统可以创建或搭建GEM竞赛的模式,或类似DIYbio运动的合作方向。

“做你自己的生物学”是一种运动,旨在传播需要进一步发展生物工程的各种技术,特别是依赖于低成本的实验室设备的开发,社区实验室的建立,和iGEM社区的科学家们的合作。面临的挑战是将合成生物学确立为一个学科,寻求当地解决方案,如果可以,并在全球范围内传播。我们说的不是梦想,而是正在进行的项目,如用来检测牛奶三聚氰胺的污染(在中国一个严重的问题)的生物传感器,一种抗砷污染的细菌检测仪,或低成本的疟疾诊断系统。

(责任编辑:泉水)
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