(105)-9.1.1 合成生物學(xué)簡(jiǎn)介

第九專題合成生物學(xué)2內(nèi)容第一節(jié)合成生物學(xué)的發(fā)展歷史及概念第二節(jié)研究方式和工具第三節(jié)合成生物學(xué)的研究方向第四節(jié)展望36億年前，一個(gè)微小的生命細(xì)胞在地球的荒野中誕生，它自我復(fù)制，它的后代們繼續(xù)復(fù)制自我，就這樣，隨著遺傳基因一代代變異，延續(xù)數(shù)十億代。今天，每個(gè)生物體——每個(gè)人、植物、動(dòng)物和微生物——都能從第一個(gè)細(xì)胞找到自己的起源。迄今為止，地球的生物大家族是我們?cè)谟钪姘l(fā)現(xiàn)的唯一存在的一種生命。生命1.0版本合成生物學(xué)簡(jiǎn)介生物大家族中的新成員不過現(xiàn)在，將會(huì)有一些新成員加入到這個(gè)生物大家族。在過去這些年里，科學(xué)家一直在嘗試從零開始制造全新的生命形式——用化學(xué)物質(zhì)造出合成ＤＮＡ（脫氧核糖核酸），由ＤＮＡ合成基因，再由基因形成基因組，最終在實(shí)驗(yàn)室造出全新生物體的分子系統(tǒng)，而這種生物體在自然界從未出現(xiàn)過。

這些向“造物主”的壟斷地位發(fā)起挑戰(zhàn)的人包括工程師、計(jì)算機(jī)學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家。他們以有別于傳統(tǒng)生物學(xué)家的視角看待生命，并在2003年開創(chuàng)了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域——合成生物學(xué)。由DNA重組技術(shù)到合成生物學(xué)

自然演化的有機(jī)體（即生物學(xué)家所謂的“生命1．0版本”）的基因組圖譜正在以前所未有的速度被繪制完成，而其中的遺傳密碼也將被逐漸解開。合成生物學(xué)家認(rèn)為，他們可以利用這些已知信息來設(shè)計(jì)、打造新生命形式。

尚輔網(wǎng)/在過去，遺傳工程一直拘囿于對(duì)已有的遺傳密碼進(jìn)行簡(jiǎn)單修補(bǔ)改造，比如從一種細(xì)菌中提取一個(gè)基因，然后植入玉米或豬的染色體。而合成生物學(xué)所要打造的生命種類是全新的——它不是任何一個(gè)原始母細(xì)胞的后裔，也沒有哪個(gè)物種是它的祖先。其實(shí)在本質(zhì)上，這是一個(gè)逆自然的過程。合成生物學(xué)

如果說1953年DNA雙螺旋分子結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)讓分子生物學(xué)家意識(shí)到，基因與細(xì)胞的關(guān)系就像計(jì)算機(jī)的軟件和硬件，那么合成生物學(xué)正在做的就是設(shè)計(jì)新“軟件”、開發(fā)新“硬件”。第一節(jié)合成生物學(xué)的發(fā)展史及內(nèi)容（1）合成生物學(xué)的發(fā)展史1978年Skallka在對(duì)限制性內(nèi)切核酸酶的評(píng)論中第一次預(yù)言了合成生物學(xué)的誕生。1980年Hobom引入了合成生物學(xué)的的名詞來描述基因重組技術(shù)。DNA合成測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和工程學(xué)在生物體系的應(yīng)用，為合成生物學(xué)奠定基礎(chǔ)。20世紀(jì)提出的概念用現(xiàn)有的有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)的合成能力設(shè)計(jì)非天然的分子，使這些分子在生命體系中發(fā)揮功能。通過合成的方法來理解自然的生命體系，構(gòu)建創(chuàng)造新的人工生命體。

美國(guó)基因組學(xué)先驅(qū)克萊格·凡特，在他位于馬里蘭州和加州的實(shí)驗(yàn)室，科研人員在其為期15年的研究項(xiàng)目中，已成功制造出全球首個(gè)“合成細(xì)胞”，一種稱為絲狀支原體的細(xì)菌。

Venter研究小組研制出的這種新型染色體即實(shí)驗(yàn)室合成支原體(Mycoplasmalaboratorium)，是一種經(jīng)過簡(jiǎn)化拼接的生殖支原體(Mycoplasmagenitalium)DNA序列，他們將這種合成支原體移植到活細(xì)胞中，使之在細(xì)胞中起主控作用，變換成一種新的染色體。按照實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，最終這個(gè)染色體將控制這個(gè)細(xì)胞并變成一個(gè)新的生命形式。尚輔網(wǎng)/這種新單細(xì)胞生物體被命名為“合成器”，受381個(gè)基因控制，包含56萬個(gè)堿基對(duì)。這些基因是維持細(xì)菌生命所必備的，使它能夠攝食和繁殖。由于新的生物體是在現(xiàn)存生物體上搭建，其繁殖和新陳代謝仍然依賴原來生物體的胞內(nèi)機(jī)制。從這一角度看，它并非完全意義上的新型生命形式。但這種給特定基因賦予特定任務(wù)的觀點(diǎn)已被眾多生物學(xué)家廣泛接受?！斑@是人類自然科學(xué)史上一次重大進(jìn)步，顯示人類正在從閱讀基因密碼走向有能力重新編寫密碼，這將賦予科學(xué)家新的能力，從事以前從未做過的研究?！毕Ｍ@項(xiàng)突破有助于發(fā)展新能源，應(yīng)對(duì)氣候變化造成的負(fù)面影響。如創(chuàng)造出具有特殊功能的新微生物，可被用作替代石油和煤炭的綠色燃料，或用來幫助清除危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)或輻射等；還可用來合成能吸收過多二氧化碳的細(xì)菌，為解決氣候變暖貢獻(xiàn)力量。合成生物學(xué)開辟了設(shè)計(jì)生命的前景一方面有可能合成模仿生命物質(zhì)特點(diǎn)的人工化學(xué)系統(tǒng)；另一方面也可能重新設(shè)計(jì)微生物，合成生物學(xué)今后將能生成自然界不存在的新的微生物。應(yīng)用示例Schultz實(shí)驗(yàn)室研究向大腸桿菌蛋白質(zhì)生物合成裝置中添入新組份，使之能通過基因生成非天然的氨基酸，結(jié)果取得了成功。但是要在真核細(xì)胞做到這一點(diǎn)還有難度。目前，能摻入到蛋白質(zhì)的非天然氨基酸已有80多種。今后將可以直接向蛋白質(zhì)導(dǎo)入順磁標(biāo)記、金屬結(jié)合、光敏異構(gòu)化等的氨基酸，促進(jìn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的研究。應(yīng)用示例Brenner提出向細(xì)胞DNA中摻入天然不存在的堿基來發(fā)展人工遺傳系統(tǒng),支持人工生命形式。合成生物學(xué)也將對(duì)生命起源，其他生命形式的研究作出貢獻(xiàn)。控制生命目前，研究人員正在試圖控制細(xì)胞的行為，研制不同的基因線路———即特別設(shè)計(jì)的、相互影響的基因。波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師科林斯已研制出一種“套環(huán)開關(guān)”，所選擇的細(xì)胞功能可隨意開關(guān)。加州大學(xué)生物學(xué)和物理學(xué)教授埃羅維茨等人研究出當(dāng)某種特殊蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化時(shí)，細(xì)胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到有機(jī)振蕩器的作用，打開了利用生物分子進(jìn)行計(jì)算的大門。（2）合成生物學(xué)的定義

合成生物學(xué)學(xué)是生物科學(xué)在二十一世紀(jì)剛剛出現(xiàn)的一個(gè)分支學(xué)科。

目的在于設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新的生物組件和體系，對(duì)現(xiàn)有的生物體系進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。從基本的生物組件構(gòu)建復(fù)雜的人工生命體系，對(duì)整個(gè)生命過程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、改造、構(gòu)建。合成生物學(xué)(syntheticbiology)一詞最早出現(xiàn)于1911年7月8日著名醫(yī)學(xué)刊物《柳葉刀》發(fā)表的一篇書評(píng)中。后來雖然斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)過多次,但在1980年第一次以“基因外科術(shù):合成生物學(xué)的開始”為題出現(xiàn)在德文刊物的一篇長(zhǎng)篇論文。隨著人類基因組計(jì)劃的完成,2000年以后,合成生物學(xué)一詞在學(xué)術(shù)刊物及互聯(lián)網(wǎng)上逐漸大量出現(xiàn)。合成生物學(xué)的定義加州大學(xué)伯克利分校(UCB)的化學(xué)工程教授Keasling說:合成生物學(xué)正在用“生物學(xué)”進(jìn)行工程化,就像用“物理學(xué)”進(jìn)行“電子工程”,用“化學(xué)”進(jìn)行“化學(xué)工程”一樣。哥倫比亞癌癥研究中心、測(cè)序及基因組科學(xué)中心主任Holt說,合成生物學(xué)與傳統(tǒng)的重組DNA技術(shù)之間的界限仍然是模糊的。從根本上說,合成生物學(xué)正在利用獲得的“元件”進(jìn)行下一層次的工作———對(duì)細(xì)胞進(jìn)行實(shí)際的工程化。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)教授、計(jì)算遺傳學(xué)中心主任Church說,主要的出發(fā)點(diǎn)是在把合成生物學(xué)與現(xiàn)有的領(lǐng)域分離開來。我們已經(jīng)在一次涉及一個(gè)“零件”或少量“零件”。合成生物學(xué)是利用我們所確信的一些“零件”進(jìn)行新生物系統(tǒng)的工程。它在利用從系統(tǒng)生物學(xué)(systemsbiology)得出的最好分析去加工制作及檢驗(yàn)復(fù)雜的生物機(jī)器.明尼蘇達(dá)大學(xué)物理系教授Noireaux

說,合成生物學(xué)的定義是令人困惑的,在很多方面就像生命的定義一樣困惑。作為一個(gè)物理學(xué)家,會(huì)喜歡建造機(jī)器、機(jī)器人。這正是我們?cè)噲D利用生物分子要做的事情。這看起來像工程,但也面臨許多基礎(chǔ)問題。

“合成生物學(xué)組織”網(wǎng)站上公布