什么是合成生物學(xué)？
合成生物學(xué)結(jié)合了生物學(xué)的理論知識(shí)與工程學(xué)的技術(shù)（也同時(shí)使用了生物信息學(xué)等眾多學(xué)科的技術(shù)），是一個(gè)“跨學(xué)科”的領(lǐng)域，旨在設(shè)計(jì)、構(gòu)建和修改生物系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)特定的功能或目標(biāo)。它作為一個(gè)飽受關(guān)注的行業(yè)，在近幾年有著飛速的發(fā)展。在醫(yī)藥、食品、美妝、材料等方面均展現(xiàn)出巨大潛力，更是21世紀(jì)初新興的生物學(xué)研究領(lǐng)域。
合成生物學(xué)的歷史與現(xiàn)狀
“Synthetic biology”一詞最早由法國(guó)物理化學(xué)家Stephane Leduc于1911年在其所著的《生命的機(jī)理》(The Mechanism of Life)一書(shū)中首次提出，在該書(shū)中其試圖利用物理學(xué)理論解釋生物起源和進(jìn)化規(guī)律，認(rèn)為“構(gòu)成生物體的是其形態(tài)”，并歸納為“合成生物學(xué)是對(duì)形狀和結(jié)構(gòu)的合成”。
Stéphane Leduc (1853-1939)
實(shí)際上，合成生物學(xué)技術(shù)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)直到20世紀(jì)中期才開(kāi)始逐步建立，科學(xué)家們開(kāi)始探索如何改變乃至于操縱生物體。21世紀(jì)初，隨著DNA合成技術(shù)的進(jìn)步和生物信息學(xué)的發(fā)展，合成生物學(xué)才成為了一個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域。2003年，合成生物學(xué)的里程碑事件之一是合成了首個(gè)人工合成的細(xì)菌基因組，這代表人類有能力從零開(kāi)始構(gòu)建生物體。
現(xiàn)如今，得益于技術(shù)突破、政策支持等，被譽(yù)為第三次生物技術(shù)革命的合成生物學(xué)取得突破性發(fā)展，這一領(lǐng)域的研究逐漸被大眾所重視，技術(shù)逐漸在各個(gè)領(lǐng)域上發(fā)展、應(yīng)用。麥肯錫數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2025年，合成生物學(xué)與生物制造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值將達(dá)到1000億美元，未來(lái)全球60%的物質(zhì)生產(chǎn)可通過(guò)生物制造方式實(shí)現(xiàn)。
合成生物學(xué)的基本理念
合成生物學(xué)的核心理念是將工程學(xué)的設(shè)計(jì)原則融入生物學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的生物組件（俗稱生物磚），科學(xué)家們能夠像拼搭樂(lè)高積木一樣組合這些模塊，從而創(chuàng)造出具備特定功能的微生物或細(xì)胞。這種方法極大地促進(jìn)了復(fù)雜生物系統(tǒng)的構(gòu)建與改造。
合成生物學(xué)超越了單純模仿自然界現(xiàn)有生物系統(tǒng)的范疇，它深入涉及對(duì)這些系統(tǒng)的重構(gòu)與優(yōu)化。借助DNA編輯與重組技術(shù)，科學(xué)家能引導(dǎo)生物體生成新穎且實(shí)用的化合物，或者提升已知化合物的生產(chǎn)效率。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)改造細(xì)菌的遺傳信息，可以促使它們生產(chǎn)出抗生素、維生素和疫苗等關(guān)鍵藥物。
合成生物學(xué)在生物制藥領(lǐng)域的應(yīng)用
在所有應(yīng)用領(lǐng)域中，合成生物學(xué)在生物制藥領(lǐng)域的影響最為深遠(yuǎn)。通過(guò)這一學(xué)科，研究人員能夠在微生物體內(nèi)構(gòu)建復(fù)雜的生物合成途徑，從而生產(chǎn)出用傳統(tǒng)方法難以合成的藥物。以下是三類典型的應(yīng)用：
1.藥物生產(chǎn)
合成生物學(xué)利用重組DNA技術(shù)，將微生物轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)各類藥物的生物工廠。我們可以借助設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)（DBTL）循環(huán)，結(jié)合微生物系統(tǒng)內(nèi)的高通量篩選與定向進(jìn)化技術(shù)，加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。藥物生產(chǎn)主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：
基因工程：科學(xué)家首先識(shí)別并合成能夠催化特定藥物生成的基因序列。
宿主選擇與改造：挑選適合表達(dá)這些基因的微生物宿主（如大腸桿菌、酵母等），并運(yùn)用基因工程技術(shù)將藥物合成相關(guān)基因嵌入微生物的基因組。
優(yōu)化生產(chǎn)：通過(guò)代謝工程調(diào)整微生物的代謝途徑，提升目標(biāo)藥物的產(chǎn)量。這可能包括增加原料的供給、減少代謝副產(chǎn)品的生成，以及提高整體合成效率。
放大生產(chǎn)：在實(shí)驗(yàn)室階段獲得成功之后，采用生物反應(yīng)器在更大規(guī)模上培養(yǎng)經(jīng)基因改造的微生物，實(shí)現(xiàn)藥物的工業(yè)化生產(chǎn)。
合成生物學(xué)在藥物生產(chǎn)中的一般流程
此外，合成生物學(xué)可通過(guò)優(yōu)化藥物生產(chǎn)途徑，提升藥物大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和效率。例如，青蒿素是一種源自青蒿植物的傳統(tǒng)抗瘧疾藥物。借助合成生物學(xué)，我們能夠通過(guò)酵母生產(chǎn)青蒿素，即通過(guò)將負(fù)責(zé)青蒿素生物合成的基因路徑轉(zhuǎn)入工程酵母細(xì)胞，使其能夠生產(chǎn)青蒿素。這樣一來(lái)，既減少了對(duì)植物資源的依賴，又顯著降低了成本并提高了生產(chǎn)效率。
2.抗體生產(chǎn)
合成生物學(xué)在抗體開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用彰顯其在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的革命性影響，尤其是在治療癌癥和自身免疫性疾病等復(fù)雜疾病方面。該學(xué)科利用活細(xì)胞系統(tǒng)，結(jié)合CRISPR-Cas9等基因編輯工具，設(shè)計(jì)并構(gòu)建特定抗體的基因序列。隨后，這些基因被植入到經(jīng)過(guò)優(yōu)化的宿主細(xì)胞（如哺乳動(dòng)物細(xì)胞或微生物）中，以便高效生產(chǎn)出能夠精確靶向病變細(xì)胞或病毒的高定制化抗體。合成生物學(xué)還被用于優(yōu)化宿主細(xì)胞的代謝途徑，從而增強(qiáng)原料供應(yīng)和改進(jìn)能量利用，最終提高抗體的產(chǎn)量和質(zhì)量。
而無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)則提供了一個(gè)更加快速和靈活的抗體生產(chǎn)平臺(tái)，該系統(tǒng)從細(xì)胞中提取出必要的生物分子組件（例如核糖體和酶），并在體外環(huán)境中對(duì)這些組件進(jìn)行重組，從而形成一個(gè)完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從DNA到蛋白質(zhì)的直接轉(zhuǎn)換，因此極大地縮短了抗體的開(kāi)發(fā)周期。無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)特別適用于快速測(cè)試和優(yōu)化新的抗體候選物，這使其成為應(yīng)對(duì)病原體快速變化挑戰(zhàn)（如流行性疾病爆發(fā)）的理想選擇。
總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)活細(xì)胞和無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)，合成生物學(xué)為醫(yī)學(xué)研究和患者治療帶來(lái)了前所未有的速度和精準(zhǔn)性，展現(xiàn)出巨大的潛力和多樣化的應(yīng)用前景。
無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)及其應(yīng)用
3.疫苗開(kāi)發(fā)
在疫苗開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，合成生物學(xué)極大地提升了快速開(kāi)發(fā)和定制疫苗的能力，特別是在應(yīng)對(duì)流行病緊急情況時(shí)顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過(guò)精準(zhǔn)的合成技術(shù)，科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)并合成出能夠有效激發(fā)免疫反應(yīng)的病原體特定抗原的基因。隨后，這些基因被植入合適的表達(dá)系統(tǒng)中，以促進(jìn)疫苗成分的生產(chǎn)。此外，借助無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)，可以迅速生成疫苗的關(guān)鍵組成部分，比如流感疫苗中的抗原蛋白。
另一項(xiàng)創(chuàng)新方法是設(shè)計(jì)能夠在體外自組裝成納米粒子的蛋白質(zhì)，這些納米粒子通過(guò)模仿病原體的外觀和大小，顯著增強(qiáng)免疫系統(tǒng)的反應(yīng)能力。例如，運(yùn)用合成生物學(xué)方法可以設(shè)計(jì)出新型冠狀病毒的刺突蛋白片段，這些片段能夠高效地誘導(dǎo)免疫反應(yīng)，為快速應(yīng)對(duì)疫情提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。這些先進(jìn)技術(shù)不僅極大地加快了疫苗的研發(fā)進(jìn)程，而且優(yōu)化了疫苗的效果，為維護(hù)公共健康提供了強(qiáng)有力的新策略。
結(jié)語(yǔ)
合成生物學(xué)不僅能夠加速藥物的生產(chǎn)過(guò)程，還能提高藥物的安全性和有效性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入拓展，合成生物學(xué)將在未來(lái)醫(yī)藥領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。這些創(chuàng)新技術(shù)不僅推動(dòng)了醫(yī)藥領(lǐng)域的快速發(fā)展，還展現(xiàn)了其在提高藥物生產(chǎn)效率和降低成本方面的巨大潛力。合成生物學(xué)正引領(lǐng)藥物生產(chǎn)進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元，為人類健康事業(yè)帶來(lái)革命性的變革。
參考文獻(xiàn)
