技術(shù)優(yōu)享丨合成生物學(xué)概念及理論背景

合成生物學(xué)(synthetic biology)，最初由Hobom B.于1980年提出來表述基因重組技術(shù)，隨著分子系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，2000年E. Kool在美國化學(xué)年會上重新提出來，2003年國際上定義為基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程和工程方法的人工生物系統(tǒng)研究，從基因片段、DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號傳導(dǎo)路徑到細(xì)胞的人工設(shè)計與合成，類似于現(xiàn)代集成型建筑工程，將工程學(xué)原理與方法應(yīng)用于遺傳工程與細(xì)胞工程等生物技術(shù)領(lǐng)域，合成生物學(xué)、計算生物學(xué)與化學(xué)生物學(xué)一同構(gòu)成系統(tǒng)生物技術(shù)的方法基礎(chǔ)。

合成生物學(xué)是指人們將"基因"連接成網(wǎng)絡(luò)，讓細(xì)胞來完成設(shè)計人員設(shè)想的各種任務(wù)。例如把網(wǎng)絡(luò)同簡單的細(xì)胞相結(jié)合，可提高生物傳感性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。再如向網(wǎng)絡(luò)加入人體細(xì)胞，可以制成用于器官移植的完整器官。讓·維斯是麻省理工學(xué)院計算機工程師，早在他讀研究生時就迷上了生物學(xué)，并開始為細(xì)胞"編程"，現(xiàn)在已成為合成生物學(xué)的領(lǐng)軍人物。維斯的導(dǎo)師、計算機工程師和生物學(xué)家湯姆·奈特表示，他們希望研制出一組生物組件，可以十分容易地組裝成不同的"產(chǎn)品"。研制不同的基因線路---即特別設(shè)計的、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另外一種線路:當(dāng)某種特殊蛋白質(zhì)含量發(fā)生變化時，細(xì)胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，起到有機振蕩器的作用，打開了利用生物分子進行計算的大門。維斯和加州理工學(xué)院化學(xué)工程師阿諾爾一起，采用"定向進化"的方法，精細(xì)調(diào)整研制線路，將基因網(wǎng)絡(luò)插入細(xì)胞內(nèi)，有選擇性地促進細(xì)胞生長。維斯目前正在研究另外一群稱為"規(guī)則系統(tǒng)"的基因，他希望細(xì)菌能估計刺激物的距離，并根據(jù)距離的改變做出反應(yīng)。該項研究可用來探測地雷位置:當(dāng)它們靠近地雷時細(xì)菌發(fā)綠光;遠(yuǎn)離地雷時則發(fā)紅光。維斯另一項大膽的計劃是為成年干細(xì)胞編程，以促進某些干細(xì)胞分裂成骨細(xì)胞、肌肉細(xì)胞或軟骨細(xì)胞等，讓細(xì)胞去修補受損的心臟或生產(chǎn)出合成膝關(guān)節(jié)。盡管該工作尚處初級階段，但卻是生物學(xué)調(diào)控領(lǐng)域中重要的進展。

"合成生物學(xué)"更早可追蹤到波蘭科學(xué)家Waclaw Szybalski采用"合成生物學(xué)"術(shù)語，以及目睹分子生物學(xué)進展、限制性內(nèi)切酶發(fā)現(xiàn)等可能導(dǎo)致合成生物體的預(yù)測。"系統(tǒng)生物學(xué)"則可追蹤到貝塔朗菲的"有機生物學(xué)"及定義"有機"為"整體或系統(tǒng)"概念，以及闡述采用開放系統(tǒng)論、數(shù)學(xué)模型與計算機方法研究生物學(xué)。

隨著計算機、生物信息、基因合成與基因測序等技術(shù)的進展，使計算機輔助設(shè)計、全基因乃至基因組人工合成成為可能，使生物工程產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)瓶頸可能突破，使生物產(chǎn)業(yè)能夠進入工程化與設(shè)計化的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，導(dǎo)致了有如"系統(tǒng)科學(xué)與自動通訊技術(shù)"之間的理論研究與技術(shù)轉(zhuǎn)化互動，系統(tǒng)科學(xué)與生物技術(shù)、系統(tǒng)生物學(xué)與合成生物學(xué)之間的密切互動，也將導(dǎo)致系統(tǒng)生物技術(shù)的基礎(chǔ)研究向應(yīng)用開發(fā)的轉(zhuǎn)化(轉(zhuǎn)化科學(xué)、轉(zhuǎn)化生物學(xué))距離迅速縮短。

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理論背景

依據(jù)組織系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論 - 泛進化論(structurity, structure theory, pan-evolution theory)，從實證到綜合(synthetic )探討天然與人工進化的生物系統(tǒng)理論，闡述了結(jié)構(gòu)整合(integrative)、調(diào)適穩(wěn)態(tài)與建構(gòu)(constructive)層級等規(guī)律;因此，系統(tǒng)(systems)生物學(xué)也稱為"整合(integrative biology)生物學(xué)"，合成(synthetic)生物學(xué)又叫"建構(gòu)生物學(xué)(constructive biology)"(Zeng BJ.中譯)。系統(tǒng)與合成生物學(xué)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、發(fā)生動力與磚塊建構(gòu)、工程設(shè)計等基于結(jié)構(gòu)理論原理，從電腦技術(shù)的系統(tǒng)科學(xué)理論到遺傳工程的系統(tǒng)科學(xué)方法，是將物理科學(xué)、工程技術(shù)原理與方法貫徹到細(xì)胞、遺傳機器與細(xì)胞通訊技術(shù)等納米層次的生物分子系統(tǒng)分析與設(shè)計。

合成生物學(xué)(synthetic biology)，也可翻譯成綜合生物學(xué)，即綜合集成，"synthetic"在不同地方翻譯成不同中文，比如綜合哲學(xué)(synthetic philosophy)、"社會-心理-生物醫(yī)學(xué)模式"的綜合(synthetic)醫(yī)學(xué)(genbrain biosystem network - 中科院曾邦哲1999年建于德國，探討生物系統(tǒng)分析學(xué)"biosystem analysis"與人工生物系統(tǒng)"artificial biosystem"，包括實驗、計算、系統(tǒng)、工程研究與應(yīng)用)，同時也被歸屬為人工生物系統(tǒng)研究的系統(tǒng)生物技術(shù)范疇，包括生物反應(yīng)器與生物計算機開發(fā)。

"21世紀(jì)是系統(tǒng)生物科學(xué)與工程 - 也就是生物系統(tǒng)分析學(xué)與人工生物系統(tǒng)的時代，將帶來未來的科技與產(chǎn)業(yè)革命" 。系統(tǒng)(system)、整合(integrative)、合成(synthetic)或綜合生物學(xué)各有偏重點，系統(tǒng)(system)、結(jié)構(gòu)(structure)、圖式(pattern)遺傳學(xué)也存在偏重點，但整個屬于系統(tǒng)生物科學(xué)與工程領(lǐng)域。系統(tǒng)科學(xué)方法與原理源自坎農(nóng)的生理學(xué)穩(wěn)態(tài)機理和圖靈的計算機模型及圖式發(fā)生的研究，又應(yīng)用于生物科學(xué)與工程。計算機科學(xué)中的圖形識別被翻譯成"模式"，但生物學(xué)中又有將"model animal"翻譯成模式動物，在認(rèn)知心理學(xué)和發(fā)育生物學(xué)中也有的翻譯成"圖式";因此，綜合翻譯成"圖式"(patten)，而且也包括了"系統(tǒng)(scheme或system)"與"完形(gestalt或configuration)"等含意。21世紀(jì)伊始，進入了系統(tǒng)生物學(xué)與工程迅速發(fā)展的時代，而系統(tǒng)遺傳學(xué)與合成生物學(xué)(系統(tǒng)遺傳工程或轉(zhuǎn)基因系統(tǒng)生物技術(shù))是其核心，并將帶來的是系統(tǒng)醫(yī)學(xué)與生物工業(yè)革命。1997年曾邦哲(Zeng BJ.)設(shè)計與操作的一個典型的系統(tǒng)生物學(xué)非加和性抗藥細(xì)胞實驗:CHO細(xì)胞用化學(xué)誘變劑甲磺酸乙脂處理一次篩選到抗10uM和20uM洛伐他汀的細(xì)胞系，再用甲磺酸乙脂處理一次抗10uM洛伐他丁的突變細(xì)胞系篩選到高到可抗70uM洛伐他汀的細(xì)胞系 ，70uM遠(yuǎn)大2X20uM=40uM，說明基因與基因的相互作用是非加和性的，也就是系統(tǒng)遺傳學(xué)的經(jīng)典實驗。