合成生物学研究进展及其风险

合成生物学研究进展及其风险

关正君魏伟徐靖

1合成生物学研究概况

合成生物学(synthetic biology)是在现代生物学和系统科学基础上发展起来的、融入工程学思想的多学科交叉研究领域。其包括了与人类自身和社会发展相关的研究方向和内容，为解答生命科学难题和人类可持续发展所面临的重大挑战提供了新的思路、策略和手段。2004年，合成生物学被美国麻省理工学院出版的Technology Review评为“将改变世界的十大新技术之一”。2010年12月，Nature杂志盘点出2010年12件重大科学事件，Science杂志评出的科学十大突破，合成生物学分别排名第4位和第2位。为此，世界各国纷纷制定合成生物学发展战略及规划，开展合成生物学研究，以抢占合成生物学研究和发展先机，促进了合成生物学基础研究和应用研究的快速发展。同时合成生物学的巨大应用潜力，还吸引了众多公司及企业参与到该领域的研究开发，推动着合成生物学产业化的进程。

合成生物学作为后基因组时代生命科学研究的新兴领域，其研究既是生命科学和生物技术在分子生物学和基因工程水平上的自然延伸，又是在系统生物学和基因组综合工程技术层次上的整合性发展。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造不同，合成生物学旨在将工程学的思想用于生物学研究中，以设计自然界中原本不存在的生物或对现有生物进行改造，使其能够处理信息、加工化合物、制造材料、生产能源、提供食物、处理污染等，从而增进人类的健康，改善生存的环境，以应对人类社会发展所面临的严峻挑战。

作为一个新的基础科学研究领域，合成生物学综合生物化学、生物物理和生物信息技术与知识，涵盖利用基因和基因组的基本要素及其组合，设计、改造、重建或制造生物分子、生物体部、生物反应系统、代谢途径与过程，乃至整个生物活动的细胞和生物个体。合成生物学使人们可以利用与物理学方法类似的模块构建和组装形成新的生命有机体，从而人工设计新的高效生命系统。中科院《2013年高技术发展报告》指出，DNA测序技术、DNA合成技术和计算机建模是支撑合成生物学发展的关键技术。近年来，大量物种的全基因组测序，为合成生物学家构建功能组件的底盘生物体系提供了丰富的遗传信息。快速、廉价的测序技术也促进了新的系统和物种的识别和解析。

2 合成生物学应用研究进展

2.1 合成生物学在医药工业领域的应用

2.1.1 天然药物合成生物学

天然药物合成生物学是在基因组学研究的基础上，对天然药物生物合成相关元器件进行发掘和表征，借助工程学原理对其进行设计和标准化，通过在底盘细胞中装配与集成，重建生物合成途径和代谢网络，从而实现药用活性成分定向、高效的异源合成，以解决天然药物

研发和生产制造的一系列重大问题(陈士林，2012)。在天然药物设计合成领域，合成生物学的应用使人们能够更为精确地控制代谢途径，利用对天然产物生物合成途径的遗传操作来生产基于天然产物的创新药物分子，也可以设计和构建一些能够生产重要天然药物的人工合成的“超级产生菌”，只需对“超级产生菌”进行发酵就可以直接获得所需的目的化合物，有望成为未来最有前途的药物生产的绿色环保技术之一，可以有效解决植物来源的天然药物研发可能引起的资源问题。目前合成生物学已在一些药用天然产物的制造中获得了较大的进展。

2.1.1.1抗疟疾药物青蒿素的合成生物学

青蒿素(Artemisinin)与其他药物的联合使用，是目前唯一一种较有效的治疗疟疾的方法。天然的青蒿素是在草药青蒿中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物，但是其产量十分稀少，提取工艺复杂，提取成本极其昂贵，也很难用化学方法合成，所以，供应量无法满足患者医治的需要。经过十几年的发展，天然药物合成生物技术已被成功地应用到青蒿素的规模化制备中，并取得了一系列成果。青蒿素的合成生物学研究是伴随其生物合成途径的逐步阐明而发展起来的。由于从青蒿酸/二氢青蒿酸形成青蒿素的途径不是很清楚，现在通过合成生物学技术制备青蒿素的研究绝大部分采用的都是一种半合成的路线。即通过代谢工程制备青蒿素的前体如紫穗槐-4, 11-二烯、青蒿酸和二氢青蒿酸，然后通过半合成的方法合成青蒿素。

经过若干年的发展，青蒿素合成生物学的研究取得了重要进展，呈现出如下特点。（1）底盘细胞种类多样。迄今为止，用于青蒿素及其中间体合成生物学研究的底盘细胞有大肠杆菌、酿酒酵母、植物细胞和其他微生物。（2）青蒿素合成生物学研究实现了多种产物的制备在青蒿素的合成生物学研究中，已经可以通过烟草制备出抗疟药物青蒿素(Farhi et al., 2011)，尽管产量较低，但这个开创性的报道具有非常重要的意义。除此之外，通过合成生物学研究还制备获得了不同的青蒿素中间体。（3）重构青蒿素及其中间体代谢途径的方式多样。目前主要通过两种模式在不同的底盘细胞中构建青蒿素及其中间体代谢途径。第一种模式是青蒿素及其中间体固有代谢途径的转移、重构与工程化，是青蒿素合成生物学研究中主要的模式。第二种模式是全新青蒿素及其中间体合成途径的设计、筛选、组装与程序化。这种模式是根据青蒿素及其中间体的化学结构设计的一条合成路线。这样构建的青蒿素及其中间体的合成路线和原植物中的合成路线明显不同，它是建立在深厚的化学和生物功底的基础之上。

通过合成生物学制备青蒿素及其中间体的成功，无论对青蒿素本身还是对未来天然药物的生产格局都会产生深远的影响(Paddon et al. 2013)。通过合成生物学制备青蒿素，不受环境和土地的制约，能在短时间内获得大量的青蒿素，能稳定世界市场上青蒿素的供应，有效地降低青蒿素的价格，有利于控制疟疾在贫困国家的肆虐。青蒿素是医药界的“重磅炸弹”，通过合成生物学制备青蒿素的成功，其意义可能不止每年几十亿元的销售额。首先，它对其他稀缺药物的绿色制备具有借鉴意义，能有效地推动天然药物的可持续发展、能引领其他天然药物的绿色制备，更重要的是通过合成生物学制备青蒿素的成功经验和技术能移植到其

他化工产品、能源和材料的合成生物学研究中，能有效地缓解由于人口剧增带来的土地供应问题以及由于化学合成及土地施肥造成的环境污染问题，对于建设“绿色中国”和“绿色世界”的目标都具有非常重要的意义。

2.1.1.2紫杉醇的合成生物学

紫杉醇(Taxol)是从短叶红豆杉(Taxus brevifolia)树皮中分离得到具有萜类环状结构的复杂天然产物，是迄今世界上最主要、最畅销的抗癌药。由于紫杉醇在植物体内的含量相当低，红豆杉本身资源很贫乏，且红豆杉属植物生长缓慢，对紫杉醇的开发利用造成了很大的困难。化学合成尽管已经完成，但由于产量低，费用高，不具有商业意义。目前的临床药物主要是通过植物中提取相对含量较高的前体巴可亭(Baccatin) III 或10-去乙酰巴可亭III经化学半合成制备的，但其主要合成原料必须从紫杉树中分离得到，这种基于植物的加工过程非常困难而且费时，因此，紫杉醇仍然十分昂贵。如果能够通过微生物发酵实现紫杉醇的大量供应则将具有无比的优越性。

近几年，采用合成生物学的策略设计和构建紫杉醇前体（紫杉烯）的研究工作已取得较好的成效。大肠杆菌和酵母细胞成为紫杉烯合成生物学研究首选宿主。尽管已有文献报道利用大肠杆菌合成紫杉烯的探索性研究，但随着利用微生物代谢工程成功合成青蒿酸的报道及合成生物学技术的发展，目前利用大肠杆菌合成紫杉醇药物中间体最成功的实例当属Ajikumar 等(2010) 利用多元模块代谢工程方法合成紫杉烯的研究。多元模块阐明了紫杉烯合成的非线性代谢流，紫杉烯的产量也明显地影响工程菌的生长状态、乙酸的积累和甘油的消耗；但也可以通过生物反应器的发酵条件、生长培养基的成分优化进一步提高紫杉烯的产量。酿酒酵母是一种常用的工业微生物，能在营养成分简单的培养基上培养，容易利用生化反应器放大生产。酵母菌具有完整的细胞内膜系统，可以确保与紫杉醇生物合成相关的羟基化酶基因的共表达。紫杉醇属于结构复杂的萜类天然药物，其生物合成的下游途径的主要特点是多个植物细胞色素P450 氧化酶与细胞色素P450 还原酶相偶联的氧化催化，在异源宿主表达的这些功能酶都是膜结合的，需要异源宿主的细胞结构类似于植物细胞，而大肠杆菌不含II 型P450 氧化酶及还原酶的偶联并缺少完整的内膜系统。因此，目前酿酒酵母细胞更适合于较为复杂产物的合成，其细胞的结构与植物细胞有更多相似的功能，可以促进合成目的产物的下游途径模块的引入，天然复杂的途径构建趋势将是选择酵母细胞为宿主，紫杉醇的异源生物全合成将会在酵母细胞内完成。

2.1.1.3人参皂苷的合成生物学

人参皂苷是名贵药材人参和西洋参等人参属植物的主要有效成分。人参皂苷属于三萜类，是由苷元和糖相连而成的糖苷类化合物。人参皂苷在人参和西洋参中含量较低，有限的天然资源难以满足日益增长的医药及研发需求。为了摆脱药源匮乏的困境，同时保护珍贵的天然资源，近年来国内外学者通过合成生物学途径对人参皂苷的生物合成进行了探索，取得了一些成果，为通过合成生物学技术生产人参皂苷奠定了基础。人参皂苷生物合成途径包括20

余步连续的酶促反应。其中的关键酶有3-羟基-3-甲基戊二酰CoA 还原酶(HMGR)、法呢基焦磷酸合酶(FPS)、鲨烯合酶(SS)、鲨烯环氧酶(SE)、细胞色素P450 (CYP450) 和糖基转移酶(GT) 等。HMGR 被公认为人参皂苷生物合成途径中的第一个限速酶，是萜类合成过程中最先起作用的关键酶，通过影响人参皂苷前体IPP和DMAPP的产量而影响人参皂苷的生物合成。

目前已从人参和西洋参等人参属植物中克隆到20 多个编码人参皂苷生物合成相关酶的基因并进行了功能验证，为通过合成生物学技术生产人参皂苷提供了基本的生物元器件，为该研究奠定了较好的基础。在验证人参皂苷生物合成相关关键酶基因功能时一般用酿酒酵母作为底盘细胞。此外，鉴于有些人参皂苷的糖基并不是发挥药理作用所必需的，脱去所有糖基的人参皂苷苷元的药理活性反而比人参皂苷更强，因此通过合成生物学途径直接获得人参皂苷苷元也具有非常重要的意义。

人参皂苷的生物合成是一个受多因素调节的复杂动态过程，为了实现通过合成生物学途径生产人参皂苷的目标，不仅要将克隆到的相关关键酶基因转入合适的底盘细胞，通过人工改造这些基因使其异源高效表达，还要对调控人参皂苷代谢网络的一些调控基因进行深度挖掘，以找到开启整个代谢网络的开关，从而整体提高整个代谢途径中基因的表达水平，更加有效地提高人参皂苷的产量。迄今为止，人参皂苷的合成生物学研究虽在生物元器件的获得及其功能验证方面有一些较大的进展，但底盘细胞的改造、代谢途径的装配等研究刚刚起步，所以相关学科应联合攻关，共同推进这项研究的发展。

2.1.2 微生物药物合成生物学

微生物药物主要包括来源于微生物(特别是放线菌和真菌)次级代谢产物的药物。微生物次级代谢产物的结构比较复杂，其生物合成基因通常成簇存在，由多个甚至几十个模块构成。相对于人工生命系统(细胞)的全合成，操作这些基因簇、有目的地获得微生物次级代谢产物相对比较容易实现，同时也不存在伦理问题。合成生物学应用于微生物药物研发，就是以微生物和植物来源的次级代谢产物等为主要研究对象的合成生物学，它与组合生物合成、代谢工程，等在研究内容方面有一定重叠（Nielsen and Keasling, 2011），但是它更突出人工生物系统设计以及次级代谢途径重构，因而目的性更强。在微生物细胞中存在许多次级代谢途径，同一条代谢途径还可能有分支现象，一种微生物次级代谢产物常以一组结构类似物的形式出现，致使目前临床应用的一些微生物药物属于多组分混合物。采用合成生物学技术，对次级代谢通路中的酶(系)活性进行有针对性的精细调节，可以理性化实现微生物药物产生菌的发酵效价提高及产品品质改善。

已有文献报道，通过调整红色糖多孢菌中参与红霉素生物合成的PKS后修饰酶EryK 和EryG的生物合成量，实现了红色糖多孢菌发酵过程中红霉素A 组分绝对产量和相对比例的提高（Chen et al., 2008）。通过对力达霉素生物合成基因簇中的多个调节基因进行操作，获得了力达霉素产量显著提高的球孢链霉菌菌株（Wang et al., 2009; Chen et al., 2010; 2011）。

通过对博来霉素和与博来霉素结构类似的糖肽类抗生素tallysomycin及zorbamycin的生物合成基因簇进行分子操作、组合以及异源表达，获得了新的杂合糖肽类抗生素(Huang et al., 2012)。目前，人类对生物体系的认识有限，对合成生物学设计的代谢途径(通路)并不能保证发挥预期功能，甚至对构建代谢途径所用组件的特性也不完全了解（Kwok, 2010）。因此，对微生物药物合成生物学涉及的一些基础学科，还需要不断深入研究，透彻理解自然界特别是微生物的初级与次级代谢的关系及其调控机制（Kitney and Freemont, 2012）。在将合成生物学用于微生物药物研究时，需要将理性与非理性研究策略相结合，通过反复替换、测试与筛选，才有可能实现预期目的与设想。

2.2 合成生物学在生物能源领域的应用

近年来，受世界石油资源、价格、环保和全球气候变化的影响，将合成生物学应用到能源领域中的想法也顺势而生(Connor and Atsumi S, 2010)。首先体现在在生物制氢方面。目前所有的氢能制备工艺中，生物制氢技术能最大限度保护环境、节约不可再生能源。美国弗吉尼亚理工大学生物系统工程系教授Zhang 等人(2007)利用合成生物学原理，将13个已知的酶组成一个非天然的新的催化体系，从而使淀粉和水在温和条件下产生氢，再通过燃料电池产生电能。这一技术在汽车领域应用潜力巨大，有可能成为驱动汽车的绿色能源。生物燃料一般是指通过生物资源生产的燃料乙醇和生物柴油，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。Trinh等（2008）通过定向敲除策略去除大肠杆菌中与乙醇代谢无关的途径，优化从戊糖和己糖生产乙醇的途径，进而提高乙醇的产量。Dexter等（2009）利用集胞藻Synechocystis sp. PCC 680 3自动光合作用将CO2转化为乙醇。转化采用了双倍同源重组体系将丙酮酸脱羧酶(pdc)和乙醇脱氢酶(adh)基因从天然的乙醇产生菌运动发酵单孢菌(Zymomonas mobilis)整合到集胞藻Synechocystis sp. PCC 6803基因组中，并在强的光驱动的psbAII 启动子作用进行表达。

2.3 合成生物学在生物基化学品领域的应用

在生物基化学品领域，可利用重组体细胞来生产用于塑料和纺织品的化工前体物，如1,3-丙二醇和蛛丝。美国杜邦(Dupont)公司利用大肠杆菌合成了重要的工业原料1,3-丙二醇等（Celińska, 2010）。常规的塑料材料如聚氯烯(PVC)，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚丙烯(PP)是采用石油或化石燃料制成的，在环境中难降解，易污染环境。南朝鲜的科研人员成功采用代谢途径工程，进行基因测序及基因合成，在一个非天然生产环保型可降解性塑料聚羟基脂肪酸(PHA)的菌株中组装了PHA 代谢途径，构建了稳定生产的工业化菌株，从而发酵糖来生产PHA （Jung et al., 2010; Yang et al., 2010）。

3 中国合成生物学研究现状

在过去几年里，合成生物学在中国已取得了很大的进展。2005年, 我国大学生首次参加美国麻省理工学院发起的iGEM大赛。之后，北京大学、天津大学、中国科技大学组成的iGEM 团队都在国际上取得了骄人的成绩，其中一些设计成果经后期完善，已经在国际知名学术期

刊上发表。与此同时，我国学者在合成生物学的各个分支都开展了相关研究。2007年11月，天津大学和英国爱丁堡大学联合成立了爱丁堡大学-天津大学系统生物学与合成生物学研究中心。2008年,中国科学院在上海生命科学研究院成立了合成生物学重点实验室，着力打造以生物元件、反应系统乃至生物个体设计、改造和重建研发为发展目标的国家级合成生物学技术平台。2008年和2009年分别在北京和上海召开了以合成生物学为主题的香山科学会议和东方科技论坛。多位中科院、工程院院士及相关领域专家一致认为在我国开展合成生物学研究，抢占学科发展的制高点刻不容缓。2010年6月，天津大学邀请国内外相关领域专家及政府管理人员参加求实论坛，讨论合成生物学最新研究进展。2010年8月，正式成立了合成与系统生物学研究中心。进入“十二五”以来，在科技部的支持下，自2010年起每年都启动了两个关于合成生物学的“973”项目，成立了合成生物学专题。国家自然科学基金项目和863计划最近也资助了合成生物学的研究。项目内容涵盖了人造细胞工厂、光合作用与人造叶片、新功能人造生物器件和组合生物化学合成系统等。但是，我国合成生物学从基础到应用，从技术到工程，都还处于起步阶段，相关的人才和研究队伍也在形成和发展的过程中。

我国政府部门也高度重视合成生物学的重要性及重大发展潜力，2010 年科技部将合成生物学列入了“蛋白质研究”重大科学研究计划。2011年，我国启动的“十二五”计划、“863”计划和“973”计划重大科学问题导向项目都将合成生物学列为重点研究方向。“973”计划支持的第一个关于合成生物学研究的项目是“人工合成细胞工厂”，该项目主要研究微生物细胞的代谢网络，计算和设计目标化学品可能的生物合成路线，发掘、合成目标化学品合成的相关DNA元件，进行元件的功能鉴定、性能优化，合成具有调控功能的分子模块，组装目标产品合成的人工代谢途径，优化DNA 元件、分子模块和宿主细胞的互作关系，提高人工细胞的环境适应能力，进化人工细胞的化学品合成效率，形成具有高效合成能力的人工细胞工厂。2011年，“973”计划支持了另外两个关于合成生物学研究的项目。一个是“新功能人造生物器件的构建与集成”，该项目的主要目标是建立DNA高效合成拼接技术体系，建立生物元件合成与表征、模块设计与集成组装以及调试等工程平台，建立代谢和调控功能明确的标准化元件库和通用库。在此基础上，探索萜类和聚酮类等重要天然产物的新生物合成路线。另一个是“微生物药物创新与优产的人工合成体系”，该项目希望能通过解决微生物药物合成体系的合成与调控、元件及模块组装、底盘细胞与系统优化等问题，实现药物生物合成的定向性和高效性。“863”计划也正在组织关于合成生物技术研究的项目，解决合成生物技术实际应用中面临的关键技术问题。通过关键技术的突破，提高中国在生物能源、药物研究与生产等领域的综合能力。

美国冷泉港实验室为了加强其在科学研究中的推动作用，于2010年在中国启动了冷泉港亚洲会议，沿袭美国冷泉港实验室的传统，为来自全球的科研人员提供近距离分享最新科研进展的独特平台。2012年冷泉港亚洲年会合成生物学专题会议于11月26日在美国冷泉