合成生物學(xué)(Synthetic Biology)被視為繼“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組計(jì)劃”后第三次生物技術(shù)革命,融合了生命科學(xué)、工程學(xué)、基因組學(xué)、信息學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科,在醫(yī)藥、能源、材料、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景,已成為世界各國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)主戰(zhàn)場(chǎng)之一??傮w而言,合成生物學(xué)可概括為通過(guò)構(gòu)建具有期望功能的生物系統(tǒng),生產(chǎn)各種人類需要的物品。本期我們走近合成生物學(xué),一探它的“前世今生”。
圖1 三次生物技術(shù)革命
追本求源:合成生物學(xué)的歷程變遷
合成生物學(xué)自概念提出到現(xiàn)在發(fā)展歷史已超百年。最早可溯源至19世紀(jì)中葉合成化學(xué)的出現(xiàn)打破無(wú)機(jī)物和有機(jī)物的界限,推翻“生命力論”,顛覆了人類對(duì)生命體(動(dòng)物、植物、微生物等)的認(rèn)知。此后,“細(xì)胞學(xué)說(shuō)”“生物化學(xué)”“遺傳學(xué)說(shuō)”等相繼提出,人類從細(xì)胞層面、分子層面實(shí)現(xiàn)對(duì)生命體認(rèn)識(shí)的飛躍,合成生物學(xué)亦隨之演化??傮w看,合成生物學(xué)發(fā)展歷程大致可分為三大階段:
圖2 合成生物學(xué)發(fā)展歷程
縱觀學(xué)科起源和發(fā)展歷程,合成生物學(xué)的崛起以其鮮明的“工程學(xué)本質(zhì)”特征,顛覆了以發(fā)現(xiàn)描述和定性分析為主的傳統(tǒng)生物學(xué)研究范式,除對(duì)原有生命科學(xué)與代謝工程的“延長(zhǎng)線”式發(fā)展外,更是將原有生物技術(shù)上升到了工程化、系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化的高度,開(kāi)啟了可定量、可計(jì)算、可預(yù)測(cè)及工程化的新時(shí)代[1]。
洞若觀火:合成生物相關(guān)概念辨析
從技術(shù)演變看,生物技術(shù)、合成生物技術(shù)與基因編輯技術(shù)存在包含與被包含的關(guān)系。
圖3 合成生物技術(shù)與生物技術(shù)、基因編輯技術(shù)關(guān)系圖
從產(chǎn)業(yè)范疇看,合成生物學(xué)是生物制造最重要的底層技術(shù)之一,生物制造是合成生物技術(shù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景。合成生物制造隸屬于生物制造,與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)存在交叉重疊的關(guān)系。
圖4 合成生物制造與生物制造、生物醫(yī)藥關(guān)系圖
本期結(jié)語(yǔ)
合成生物學(xué)作為新興學(xué)科提出時(shí)日不長(zhǎng)、涉及領(lǐng)域廣,其定義仍見(jiàn)仁見(jiàn)智、尚未形成共識(shí)。在此,我們引用科技部“合成生物學(xué)”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目申報(bào)指南中的定義進(jìn)行總結(jié):“合成生物學(xué)是以工程化設(shè)計(jì)理念,對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成”。
結(jié)合合成生物制造流程來(lái)看,其本質(zhì)就是“細(xì)胞工廠”,通過(guò)基因技術(shù)編輯底盤(pán)細(xì)胞,將生物碳基原料置于底盤(pán)細(xì)胞中進(jìn)行發(fā)酵,之后采用多種技術(shù)將發(fā)酵產(chǎn)品從發(fā)酵液或者細(xì)胞中分離、純化出來(lái),在達(dá)到特定標(biāo)準(zhǔn)后制成產(chǎn)品。更通俗地理解,底盤(pán)細(xì)胞相當(dāng)于奶牛,各種原料相當(dāng)于低價(jià)值的草料,通過(guò)改造優(yōu)化過(guò)的底盤(pán)細(xì)胞,添加低廉原料后經(jīng)過(guò)發(fā)酵等一系列工藝產(chǎn)生的高價(jià)值的化學(xué)或生物產(chǎn)品。
圖5 合成生物制造流程
總體看,合成生物學(xué)突破了生物體的自然局限,使其擁有滿足人類需求的生物功能,可利用高效能量和高效物質(zhì)合成的能力,解決人類面臨的食品缺乏、能源緊缺、環(huán)境污染、醫(yī)療健康等多方面的問(wèn)題。目前,政產(chǎn)學(xué)研各方均在共同努力,持續(xù)發(fā)力加速合成生物學(xué)底層和共性技術(shù)突破,力促其轉(zhuǎn)化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,我們期待合成生物學(xué)未來(lái)在科技、產(chǎn)業(yè)、社會(huì)、生態(tài)等領(lǐng)域創(chuàng)造更高的價(jià)值。下一期,我們將對(duì)國(guó)內(nèi)外合成生物學(xué)戰(zhàn)略部署和產(chǎn)業(yè)謀劃等情況進(jìn)行追蹤。
參考資料
[1] 《中國(guó)合成生物學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略》,北京,科學(xué)出版社
[2] 本文圖片來(lái)源于公開(kāi)資料,北國(guó)咨整理。
免責(zé)聲明
本文內(nèi)容系網(wǎng)絡(luò)搜集加工,如涉及內(nèi)容版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們將在第一時(shí)間協(xié)商版權(quán)問(wèn)題或刪除內(nèi)容!內(nèi)容為作者個(gè)人觀點(diǎn),并不代表本公眾號(hào)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。