合成生物學(xué)：從 ”讀懂生命” 到 “創(chuàng)造生命” 的第三次生物革命

       2023 年11 月8 日，著名科學(xué)期刊Cell、Molecular Cell 及 Cell Genomics 聚焦于同一主題，一口氣刊載 10 篇研究論文，介紹國際合作項目“人工合成酵母基因組計劃”（Sc2.0）。這批成果由來自美國、中國、英國等國家的科研團隊共同完成，文章詳細(xì)報道了 8 條全新的酵母染色體的全面合成和一條轉(zhuǎn)運 RNA（tRNA）染色體的創(chuàng)新設(shè)計與合成。
       至此，Sc2.0 已完成全部 16 條酵母染色體的人工合成，其中包括早先合成的 6 條以及尚未發(fā)表但已完成的 2 條染色體�？茖W(xué)家還將 7.5 條染色體成功地整合到了天然釀酒酵母的菌株中，這種半人工酵母擁有與野生的酵母菌株相似的生存和復(fù)制能力。也就是說，一半天然、一半人工合成的酵母細(xì)胞問世！科學(xué)家還為酵母細(xì)胞編寫設(shè)計了一條全新的染色體—— tRNA 染色體，這為創(chuàng)造出世界上第一個完全人工合成的真核細(xì)胞邁出了新的一步。
       這些激動人心的成果，都屬于一個嶄新的學(xué)科——合成生物學(xué)。如今，前述這一系列突破，意味著人類已經(jīng)從對少數(shù)基因的修補，發(fā)展到了能夠從頭設(shè)計和構(gòu)建整個基因組。

什么是合成生物學(xué)？
     
     “合成生物學(xué)”一個聽起來很有科技感的詞語，事實上這個學(xué)科確實很年輕。合成生物學(xué)是在二十一世紀(jì)剛剛出現(xiàn)的一個分支學(xué)科，近年來，合成生物學(xué)的發(fā)展很快。伴隨著人工合成微生物、人工合成酵母染色體、青蒿素的發(fā)酵生產(chǎn)以及人工合成淀粉、葡萄糖和脂肪酸的實現(xiàn)，合成生物學(xué)被喻為是“認(rèn)識生命的鑰匙”(造物致知)和“改變未來的顛覆性技術(shù)”(造物致用)。合成生物學(xué)也被稱為繼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)和基因組技術(shù)之后的“第三次生物技術(shù)革命”。
       合成生物學(xué)是一門融合生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、信息科學(xué)等領(lǐng)域的交叉學(xué)科，旨在通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和工程化手段，重新設(shè)計或構(gòu)建具有特定功能的生物系統(tǒng)，甚至從頭創(chuàng)造自然界不存在的生命形式。其核心理念是將生命系統(tǒng)視為可編程的“機器”，通過“設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)”的循環(huán)（DBTL），實現(xiàn)從基因元件到細(xì)胞工廠的精準(zhǔn)控制。    

       正因為合成生物學(xué)“造物致知”的特點，它可以被應(yīng)用到各個領(lǐng)域。目前合成生物學(xué)已在醫(yī)療、化工、能源、材料、農(nóng)業(yè)、食品、健康、資源、環(huán)境等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
       在醫(yī)療健康領(lǐng)域，合成生物學(xué)可以應(yīng)用于藥物的研究、開發(fā)和生產(chǎn)。通過基因編輯和合成生物技術(shù)，可以制造更安全、更有效的藥物，滿足人們對高質(zhì)量醫(yī)療服務(wù)的需求。
       在能源與環(huán)境保護領(lǐng)域，合成生物專業(yè)可以應(yīng)用于生物能源的研究與開發(fā)。通過合成生物技術(shù)，可以制造出更環(huán)保、更可持續(xù)的生物能源，為保護地球環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。
       在食品工業(yè)領(lǐng)域，合成生物學(xué)可以用于改良食品的品質(zhì)和口感，生產(chǎn)出更加健康、營養(yǎng)的食品。例如，通過改造酵母，使其能夠合成更多的維生素和風(fēng)味物質(zhì)，提升面包、啤酒等食品的品質(zhì)。
       在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，合成生物專業(yè)可以應(yīng)用于作物改良、植物病蟲害控制和生物農(nóng)藥創(chuàng)制等。
       此外，合成生物學(xué)還可以應(yīng)用于日化美妝領(lǐng)域，例如通過合成生物技術(shù)生產(chǎn)天然香精、高級化妝品等。

       合成生物學(xué)取得了巨大的進展，可是在前進道路上仍然面臨著許多難點和堵點。
       首先，生物系統(tǒng)的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的想象。生物體內(nèi)的基因、蛋白質(zhì)和代謝途徑相互交織，形成了一個龐大而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。我們對這個網(wǎng)絡(luò)的理解還非常有限，很難準(zhǔn)確預(yù)測生物系統(tǒng)在受到改造后的行為和變化。這就好比我們在一個黑暗的迷宮中摸索，每走一步都可能面臨未知的風(fēng)險。
       其次，合成生物學(xué)涉及的倫理和安全問題也備受關(guān)注。合成生物學(xué)的發(fā)展讓人類具備了創(chuàng)造新生命體的能力，這引發(fā)了人們對于“設(shè)計生命”的倫理爭議。如果合成生物不小心泄漏到自然界中，會不會對生態(tài)環(huán)境造成破壞？這些合成生物會不會被濫用，成為生物武器？如何確保合成生物學(xué)的發(fā)展在倫理和安全的框架內(nèi)進行，是科學(xué)家們和社會各界需要共同應(yīng)對的問題。
       此外，合成生物學(xué)的技術(shù)成本仍然較高，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用和推廣。合成基因、構(gòu)建生物電路等技術(shù)需要昂貴的儀器設(shè)備和專業(yè)的技術(shù)人員，這使得合成生物學(xué)的研究和開發(fā)主要集中在少數(shù)大型科研機構(gòu)和企業(yè)手中。如何降低合成生物學(xué)的技術(shù)成本，提高其技術(shù)的可及性，也是當(dāng)前需要解決的一個重要問題。

       盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，合成生物學(xué)的發(fā)展前景依然十分光明。隨著技術(shù)的不斷進步和研究的深入，我們對生物系統(tǒng)的理解將會越來越深刻，合成生物學(xué)的技術(shù)也將越來越成熟。
       合成生物學(xué)作為生物技術(shù)的革命性進展，正引領(lǐng)著我們進入一個前所未有的生命“創(chuàng)造”時代。它不僅僅是一門學(xué)科，更是一種全新的思維方式和實踐方法，讓我們能夠以前所未有的方式理解和操控生命。從耐高溫可降解的生物塑料到人工合成的淀粉，再到以二氧化碳為原料的第三代生物制造技術(shù)，合成生物學(xué)的應(yīng)用前景無限廣闊，將為人類社會的可持續(xù)發(fā)展注入強大的動力。

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