合成生物学

更新时间:2023-04-16 00:34:06 阅读: 评论:0


2023年4月16日发(作者:太极拳推手)

合成生物学的研究方向与应用

合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科,近年来合成生物物质

的研究进展很快。合成生物学与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不

同,合成生物学的研究方向完全是相反的,它是从最基本的要素开始一步步建立零部件。

合成生物学与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法不同,

合成生物学的目的在于建立人工生物系统(artificialbiosystem),让它们像电路一样运

行。

简介

合成生物学(syntheticbiology),最初由HobomB.于1980年提出来表述基因重组

技术,随着分子系统生物学的发展,2000年在美国化学年会上重新提出来,2003

年国际上定义为基于系统生物学的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,类似于现代集成

型建筑工程,将工程学原理与方法应用于遗李佳骏 传工程与细胞工程等生物技术领域,合成生物

学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。

合成生物学是指人们将“基因”连接成网络,让细胞来完成设计人员设想的各种任务。

例如把网络同简单的细胞相结合,可提高生物传感性,帮助检查人员确定地雷或生物武器

的位置。再如向网络加入人体细胞,可以制成用于器官移植的完整器官。让维斯是麻省理

工学院计算机工程师,早在他读研究生时就迷上了生物学,并开始为细胞“编程”,现在已

成为合成生物学的领物。维斯的导师、计算机工程师和生物学家汤姆奈特表示,他们

希望研制出一组生物组件,711加盟费 可以十分容易地组装成不同的“产品”。研制不同的基因线路—

——即特别设计的、相互影响的基因。波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种“套

环开关”,所选择的细胞功能可随意开关。加州大学生物学和物理学教授埃罗维茨等人研究

出另外一种线路:当某种特殊蛋白质含量发生变化时,细胞能在发光状态和非发光状态之

间转换,起到有机振荡器的作用,打开了利用生物分子进行计算的大门。维斯和加州理工

学院化学工程师阿诺尔一起,采用“定向进化”的方法,精细调整研制线路,将基因网络插

入细胞内,有选择性地促进细胞生长。维斯目前正在研究另外一群称为“规则系统”的基

因,他希望细菌能估计刺激物的距离,并根据距离的改变做出反应。该项研究可用来探测

地雷位置:当它们靠近地雷时细菌发绿光;远离地雷时则发红光。维斯另一项大胆的计划

是为成太阳的传说 年干细胞编程,以促进某些干细胞分裂成骨细胞、肌肉细胞或软骨细胞等,让细胞

去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。尽管该工作尚处初级阶段,但却是生物学调控领

域中重要的进展。

“合成生物学”更早可追踪到波兰科学家WaclawSzybalski采用“合成生物学”术语,以

及目睹分子生物学进展、限制性内切酶发现等可能导致合成生物体的预测。“系统生物学”

则可追踪到贝塔朗菲的“有机生物学”及定义“有机”为“整体或系统”概念,以及阐述采用开放

系统论、数学模型结算英文 与计算机方法研究生物学。

随着计算机、生物信息、基因合成与基因测序等技术的进展,使计算机辅助设计、全

基因乃至基因组人工合成成为可能,使生物工程产业化的技术瓶颈可能突破,使生物产业

能够进入工程化与设计化的产业发展,导致了有如“系统科学与自动通讯技术”之间的理ps怎么放大图片 论

研究与技术转化互动,系统科学与生物技术、系统生物学与合成生物学之间的密切互动,

也将导致系统生物技术的基础研究向应用开发的转化(转化科学、转化生物学)距离迅速

缩短。

应用前景

合成生物学将催生下一次生物技术革命。目前,科学家们已经不局限于非常辛苦地进

行基因剪接,而是开始构建遗传密码,以期利用合成的遗传因子构建新的生物体。合成生

物学在未来几年有望取得迅速进展。据估计,合成生物学在很多领域将具有极好的应用前

景,这些领域包括更有效的疫苗的生产、新药和改进的药物、以生物学为基础的制造、利

用可再生能源生产可持续能源、环境污染的生物治理、可以检测有毒化学物质的生物传感

器等。

尽管合成生物学的商业应用多数还要几年以后才能实现,但现在研究人员已经在利用

合成生物体来研制下一代清洁的可再生生物燃料以及某些稀洛迪 缺的药物。第一代合成微生物

是合成生物学的简单应用,它们可能与目前利用DNA重组的微生物类似,其风险评估或

许不成问题,因此,对立法者的挑战较少。但随着合成生物学技术不断走向成熟,又可能

研制出复杂的有机体,其基因组可能由各种基因序列(包括实验室设计和研制的人工基因

序列)重组而成。尽管其风险和风险评估问题与经过基因修饰的生物体引发的问题类似,

但对于这类复杂的合成微生物来说,找到上述问题的答案要困难得多。

在转基因生物技术方面,立法者对转基因生物体进行风险评估时,一般是通过将转基

因生物体与为人们所熟知的同类的非转基因生物进行比较分析,从而认识增加的遗传物质

的功能。立法者通过将自然存在的物种与转基因物种进行比较,来确保新的有机体像其传

统的同类物质“一样安全”。

但是,对于通过合成生物学制成的复杂的有机体而言,如果它是由各种来源的遗传序

列组合而成或者含有人工DNA,就很难确定其“遗传谱系”。另外,重组后的遗传序列是否

保留其原有的功能,或者新组分之间是否会产生协同反应从而导致不同的功能或行为也是

个问题。随着对有关遗传成分的认识的增加,科学家们也许可以预测新的遗传改造所具有

的功能,但是,由来自合成和自然物质的遗传成分合成的有机体可能会表现出原来没有过

的“新行为”。先进的合成微生物的复杂性给根据遗传序列和结构进行功能预测增加了新的

不确定性。现有的风险评估方法无法用来预测复杂的适应系统。此外,尽管许多科学家认

为转基因生物体在自然环境中可能无法生存或繁殖,但合成有机体可以发生变异和进化,

这引起了人们的担忧,担心它们如果释放到环境中,其遗传物质可能扩散到其它有机体,

或者与其它有机体交换遗传物质。这种风险同样与转基因生物引发的风险类似,只是要预

先评估将来开发的复杂的合成生物体的风险更为困难。

合成生物学无疑会推动生物燃料、特种化学品、农业和药物等方面的进步。但这个新

兴领域的进一步发展对政府的监管提出了严峻挑战。科学家们已经开始关注合成生物学研

究的风险问题。最受关注的莫过于生物安全问题。合成生物学的早期应用引发的安全性问题应予以重视。像其它新技术一样,合成生物学对决策者提出了挑战。政府在制定政策时

必须做出权衡,一方面是包子馅料 如何收获新产品的利益,另一方面是如何预防对环境和公共健康

的潜在危害。目前,人们普遍认为,针对遗传工程制定的政策和法规是制定面向合成生物

学的政策法规时可以效仿的。在这项新技术成熟之前,决策者应考虑如何对这项新兴的融

合技术进行约束。由于合成生物学的不确定性,立法者面临的挑战是如何制定决策,使对

合成生物体的管制既不能过松,也不能过严。因此,亟需在产品开发的同时开展风险研

究。毋庸置疑,一般性研究是很有用的,但很多情况下,必须针对具体的生物体、产品和

应用进行风险研究。


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