技術優(yōu)享丨合成生物學概念及理論背景

合成生物學(synthetic biology)，最初由Hobom B.于1980年提出來表述基因重組技術，隨著分子系統(tǒng)生物學的發(fā)展，2000年E. Kool在美國化學年會上重新提出來，2003年國際上定義為基于系統(tǒng)生物學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、基因調控網絡與信號傳導路徑到細胞的人工設計與合成，類似于現代集成型建筑工程，將工程學原理與方法應用于遺傳工程與細胞工程等生物技術領域，合成生物學、計算生物學與化學生物學一同構成系統(tǒng)生物技術的方法基礎。

合成生物學是指人們將"基因"連接成網絡，讓細胞來完成設計人員設想的各種任務。例如把網絡同簡單的細胞相結合，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。再如向網絡加入人體細胞，可以制成用于器官移植的完整器官。讓·維斯是麻省理工學院計算機工程師，早在他讀研究生時就迷上了生物學，并開始為細胞"編程"，現在已成為合成生物學的領軍人物。維斯的導師、計算機工程師和生物學家湯姆·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"產品"。研制不同的基因線路---即特別設計的、相互影響的基因。波士頓大學生物醫(yī)學工程師科林斯已研制出一種"套環(huán)開關"，所選擇的細胞功能可隨意開關。加州大學生物學和物理學教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路:當某種特殊蛋白質含量發(fā)生變化時，細胞能在發(fā)光狀態(tài)和非發(fā)光狀態(tài)之間轉換，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。維斯和加州理工學院化學工程師阿諾爾一起，采用"定向進化"的方法，精細調整研制線路，將基因網絡插入細胞內，有選擇性地促進細胞生長。維斯目前正在研究另外一群稱為"規(guī)則系統(tǒng)"的基因，他希望細菌能估計刺激物的距離，并根據距離的改變做出反應。該項研究可用來探測地雷位置:當它們靠近地雷時細菌發(fā)綠光;遠離地雷時則發(fā)紅光。維斯另一項大膽的計劃是為成年干細胞編程，以促進某些干細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或軟骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產出合成膝關節(jié)。盡管該工作尚處初級階段，但卻是生物學調控領域中重要的進展。

"合成生物學"更早可追蹤到波蘭科學家Waclaw Szybalski采用"合成生物學"術語，以及目睹分子生物學進展、限制性內切酶發(fā)現等可能導致合成生物體的預測。"系統(tǒng)生物學"則可追蹤到貝塔朗菲的"有機生物學"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、數學模型與計算機方法研究生物學。

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

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理論背景

依據組織系統(tǒng)結構理論 - 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，闡述了結構整合(integrative)、調適穩(wěn)態(tài)與建構(constructive)層級等規(guī)律;因此，系統(tǒng)(systems)生物學也稱為"整合(integrative biology)生物學"，合成(synthetic)生物學又叫"建構生物學(constructive biology)"(Zeng BJ.中譯)。系統(tǒng)與合成生物學的系統(tǒng)結構、發(fā)生動力與磚塊建構、工程設計等基于結構理論原理，從電腦技術的系統(tǒng)科學理論到遺傳工程的系統(tǒng)科學方法，是將物理科學、工程技術原理與方法貫徹到細胞、遺傳機器與細胞通訊技術等納米層次的生物分子系統(tǒng)分析與設計。

合成生物學(synthetic biology)，也可翻譯成綜合生物學，即綜合集成，"synthetic"在不同地方翻譯成不同中文，比如綜合哲學(synthetic philosophy)、"社會-心理-生物醫(yī)學模式"的綜合(synthetic)醫(yī)學(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"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)生物技術范疇，包括生物反應器與生物計算機開發(fā)。

"21世紀是系統(tǒng)生物科學與工程 - 也就是生物系統(tǒng)分析學與人工生物系統(tǒng)的時代，將帶來未來的科技與產業(yè)革命" 。系統(tǒng)(system)、整合(integrative)、合成(synthetic)或綜合生物學各有偏重點，系統(tǒng)(system)、結構(structure)、圖式(pattern)遺傳學也存在偏重點，但整個屬于系統(tǒng)生物科學與工程領域。系統(tǒng)科學方法與原理源自坎農的生理學穩(wěn)態(tài)機理和圖靈的計算機模型及圖式發(fā)生的研究，又應用于生物科學與工程。計算機科學中的圖形識別被翻譯成"模式"，但生物學中又有將"model animal"翻譯成模式動物，在認知心理學和發(fā)育生物學中也有的翻譯成"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世紀伊始，進入了系統(tǒng)生物學與工程迅速發(fā)展的時代，而系統(tǒng)遺傳學與合成生物學(系統(tǒng)遺傳工程或轉基因系統(tǒng)生物技術)是其核心，并將帶來的是系統(tǒng)醫(yī)學與生物工業(yè)革命。1997年曾邦哲(Zeng BJ.)設計與操作的一個典型的系統(tǒng)生物學非加和性抗藥細胞實驗:CHO細胞用化學誘變劑甲磺酸乙脂處理一次篩選到抗10uM和20uM洛伐他汀的細胞系，再用甲磺酸乙脂處理一次抗10uM洛伐他丁的突變細胞系篩選到高到可抗70uM洛伐他汀的細胞系 ，70uM遠大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)遺傳學的經典實驗。