合成生物學(xué)

572軍事醫學(xué)科學(xué)院院刊2006年12月第30卷 第6期66 - 69.503 -517.[3 ] Quesneville H , Nouaud D , Anxolabehere D et al. Recurrent re-[ 10] Pothof J , van Hatn G ,hijssen K. Identification of genes thatcruitment of the THAP DNA- binding domain and molecular do-protect the C. elegans genome against mutations by genome-widemestication of the P-transposable element[ J ] Mol Biol Evol ,RNA[J] Genes Dev ,2003 ,17( 4 ):443 - 448.2005 ,22(3 ):741 -746.[11 ] Deiss LP ,Feinstein E , Berissi H el al. An ienification of a no-[4] Clouaire T , Roussigne M , Ecochard V. The THAP domain ofvel serine/ threonine kinase and a novel 15-kD protein as potentialTHAPI is a large C2CH module with zinc-dependent sequence-mediators of the garnma interferon-induced cell deat[ J ] Genesspecifie DNA-binding activity[ J ] Proe Natl Acad Sci USA ,Dev ,1995 ,9(1 ):15 -30.2005 , 102( 19):6907 - 6912.[ 12 ] Bhaskar V , Valentine SA , Courey AJ. A functional interaction[5] Lin Y , Khokhlatchev A , Figeys D et al. Death-associated proteinbetween dorsal and components of the Smt3 conjugation machinery4 binds MST1 and augments MSTI -induced apoptosi[ J] J Biol[J] J Biol Chem ,2000 ,275( 6 ):4033 - 4040.Chem ,2002 ,277( 50 ) :47991 - 48001.[ 13] Macfarlan T , Kutney S , Altman B ,et al. Human THAP7 is a[6] Gale M Jr ,Blakely CM , Hopkins DA el al. Regulation of inter-chromain-associated histone tail-binding protein that repressesferon-induced protein kinase PKR : modulation of P58( IPK ) in-transcription via recruitment of HDAC3 and nuclear hormone re-hibitory function by a novel protein P52( rIPK )[ J ] Mol Cellceptor corepressor[ J] J Biol Chem , 2005 , 280( 8 ): 7346 -Biol , 1998 ,18(2):859 - 871.7358.[7] Reddy KC , Villeneuve AM. C. elegans HIM-17 links chromatin[ 14] Macfarlan T , Parker JB , Nagata K ,et al. Thanatos-associatedmodification and competence for initiation of meiotic recombina-protein 7 associates with template activating factor- I β and inhib-tior[J] Cell ,2004 ,118(4) :439 -452.its histone acetylation to repress transcription[ J ]. Mol Endocri-[8] Ferguson EL , Horviz HR. The multivulva phenotype of certainnol ,2006 ,20( 2):335 -347.Caenorhabditis elegans mutants resuts from defects in two func- [ 15] Reddy KC , Villeneuve AM. C. elegans HIM-17 links chromatintionally redundant pathways[ J ] Genetics, 1989 , 123( 1 ):109-121.tior[ J]. Cell ,2004 ,118(4 ):439 -452.[9] Fay DS , KeenanS ,Han M. Fzr-1 and lin-35/ Rb function redun-(本文編輯姜曉舜)dantly to control cell proliferation in C. elegans as revealed by anonbiased synthetic screen[ J] Genes Dev , 2002 , 16( 4 ):軍事醫學(xué)科學(xué)院院刊_ 2006年12月 第30卷第6期合成生物學(xué)凌焱,段海清”,陳惠鵬(軍事醫學(xué)科學(xué)院生物工程研究所北京100850 )[摘要]合成生物學(xué)研究是個(gè)新興而頗具前景的研究領(lǐng)域。該研究對多種天然的或人工設計的生物學(xué)元件進(jìn)行了合理而系統的組合以獲得重構的或非天然的生物系統”。從解構到重構生命體、由破到立的認識方式轉變是對生物系統認識深入發(fā)展的必然結果。合成生物學(xué)研究就是連接這-過(guò)程的橋梁。本文對這-前沿領(lǐng)域的研究思路、近期主要研究成果及發(fā)展趨勢做一概述。[關(guān)鍵詞]合成生物學(xué) 系統生物學(xué)遺傳線(xiàn)路圖從頭合成人工生命體[中圖分類(lèi)號] R1[文獻標識碼]A[文章編號] 100-5501( 2006 )06-0572-03Synthetic biologyLING Yan , DUAN Hai-Qing* , CHEN Hui-Peng中國煤化工( Institute of Biotechnology Academy of Military Medical Sciences ITYHCNMHG[ Abstract ] The emerging field of synthetic biology is of great potential. Synthetic biology is the synthesis of complex ,bi-ologically based ( or inspired ) systems which display functions that do not exist in nature. In essence , synthetic biology will[收稿日期] 2006 -06-16.[作者簡(jiǎn)介]凌焱(1977- )男北京市人在讀博士生。*通訊聯(lián)系人E-mail xduanhq2008@ 163. com軍事醫學(xué)科學(xué)院院刊2006 年12月第30卷第6期enable the design of biological systems in a rational and systematic way. Synthetic biology stands at the meeting-point of de-structing life and construction of life. In this article the current state of this field in scientific and technalogical perspectiveis reviewed and the potentially beneficial outcomes are explored.[ Key words ] synthetic biology ; systems biology ; genetic circuit ; de novo synthesis ; artificial life早在1978年就已有人預言合成生物學(xué)"時(shí)代將會(huì )來(lái)題.上(例如利用光能來(lái)處理廢氣、凈化水)或者能制造出用臨'。人工合成基因研究最早出現在20世紀60年代2]然化學(xué)與生物合成方法都難以獲得的具有復雜結構的藥物或而受到當時(shí)基因合成能力與成本因素的制約在飛速發(fā)展者將-些能對身體健康狀況的改變做出應答的基因和蛋白的DNA重組技術(shù)備受矚目時(shí)人工合成基因的應用十分有質(zhì)整合成分子醫生”,使其在多種疾病的發(fā)病早期就發(fā)送限。時(shí)過(guò)境遷隨著(zhù)遺傳工程和系統生物學(xué)的發(fā)展人們對警示訊息[51湛至還可以協(xié)助人類(lèi)尋找宇宙中的其他生命跡生物系統的認識逐步加深隨著(zhù)基因組數據庫的日益豐富、象[°]。無(wú)疑結合了對基本生物學(xué)元件的深入了解和自由操生物信息學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步新的技術(shù)方法、更高的作能力的合成生物學(xué)的前景極其廣闊。效率和更低的成本令人工合成生命體的設想開(kāi)始成為可能。2近期研究成果合成生物學(xué)研究以-種嶄新的姿態(tài)重新出現在學(xué)者們面前3。當前雖然在世界范圍內合成生物學(xué)研究還沒(méi)有形成系統化與規?；惨呀?jīng)取得了不少令人欣喜的研究成果。1合成生物學(xué)的概念與意義2.1非天然的控制細胞生命活動(dòng)的分子網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)單地說(shuō)合成生物學(xué)( synthetic biology )旨在以人工手隨著(zhù)生命科學(xué)的飛速發(fā)展人們對生命體的認識越來(lái)越段制造出生物系統。其涵蓋的研究?jì)热菘梢源篌w分為3個(gè)透徹逐步開(kāi)始設計并建造非天然的控制細胞生命活動(dòng)的分層次:-是利用已知功能的天然生物模體(moif)或模塊子網(wǎng)絡(luò )。這種調控網(wǎng)絡(luò )是由多種元件或模塊經(jīng)過(guò)重新組織、( module )構建成的新型調控網(wǎng)絡(luò )并表現出新功能二是采用整合得到的用以實(shí)現特定目的。其組成結構可以與電子電從頭合成de nooo synthesis )的方法人工合成基因組DNA并路相似,因此被稱(chēng)為遺傳線(xiàn)路圖( genetic cireuit )。向遺傳線(xiàn)重構生命體第三個(gè)層次則是在前兩個(gè)研究領(lǐng)域得到充分發(fā)路圖中添加生物元件的操作猶如往電子電路里加入電阻或展之后創(chuàng )建完整的全新生物系統乃至人工生命體( arifial晶體管-樣方便。例如有學(xué)者利用基因表達調控元件構成life)。這是一門(mén)涉及微生物學(xué)、分子生物學(xué)、系統生物學(xué)、遺了生物邏輯門(mén)、振蕩器、反饋回路等組件8-101。有學(xué)者根據傳工程、材料科學(xué)以及計算科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的綜合性交叉學(xué)細胞外部或內部某些特定參數的變化來(lái)控制細胞的生長(cháng)、分科4。合成生物學(xué)與系統生物學(xué)( systems biology )有相似的化和代謝等生命活動(dòng)的設計實(shí)現了非天然的信號轉導。例邏輯關(guān)系,可以看作是后者在技術(shù)層面上的發(fā)展,因此也有如Bulter等")為細菌設計了特定的誘導分子,當這類(lèi)分子人將其稱(chēng)作工程生物學(xué)"。無(wú)論提法如何變化其含義都.達到一定濃度時(shí)(即細菌生長(cháng)達到-定密度時(shí))將激活下是指經(jīng)過(guò)合理而系統的設計再現或者創(chuàng )造出這樣-些生物游代謝相關(guān)基因的表達。You等I2]設計的對菌體密度敏感系統,它們能在從分子到細胞、從組織到機體的多個(gè)水平上,的調控網(wǎng)絡(luò )能導致細菌死亡，從而實(shí)現對大腸桿菌生長(cháng)密度參與包括遺傳與進(jìn)化在內的復雜生物行為5。的調控。麻省理工學(xué)院的研究人員獲得了能對不同光照條就科學(xué)意義而言,合成生物學(xué)變換了對生命體結構的認件做出應答的大腸桿菌3。利用代謝工程技術(shù)改造細胞代知順序實(shí)現從細節到全局( bttom-up )認識生命體。例如,謝途徑來(lái)合成復雜化合物的方法將大大降低藥品或者材料研究細胞的手段將不再只是將其拆開(kāi)分析,而能?chē)L試著(zhù)拼的生產(chǎn)成本直接造福大眾。例如,Keasling 等向大腸桿菌中裝。這可能是學(xué)者們在最初開(kāi)始認識細胞時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生的導入了來(lái)自苦艾草、釀酒酵母等其他物種的10個(gè)基因改造想法。學(xué)者們還可以將同種或不同種生物間的多個(gè)不相鄰后的代謝系統表達出了能治療瘧疾的青蒿素等類(lèi)萜類(lèi)化合的功能模塊組裝到一個(gè)調控系統 下研究各個(gè)模塊的工作狀物41。況及其相互作用搭建出不同水平間交叉作用的立體全景盡管為細胞行為編程的研究還剛起步尚未直接應用于圖°。從解構生命體到重構甚至創(chuàng )建生命體是由破到立的醫學(xué)治療領(lǐng)域,但我們已經(jīng)可以預見(jiàn)在不遠的將來(lái)，能通過(guò)認識方式轉變拓展了對生物大分子系統組成原則的理解,修復功能缺陷細胞、定向攻擊腫瘤細胞、刺激特定細胞的生是對生物系統認識深入發(fā)展的必然結果合成生物學(xué)就是連長(cháng)和增殖等方法來(lái)治療-系列疾病。包括組織修復與再生、接這一過(guò)程的橋梁”。個(gè)性化醫療以及智能藥物研究在內的多個(gè)醫學(xué)領(lǐng)域都將受合成生物學(xué)研究的意義不僅停留在科學(xué)層面在技術(shù)應益中國煤化工用上更有著(zhù)誘人的發(fā)展前景。合成生物學(xué)研究在包括經(jīng)濟、2.2生命體健康、能源、環(huán)境、材料等諸多領(lǐng)域都極具應用價(jià)值巨大陽(yáng)自基四出奴循牛時(shí)口血干富和DNA自動(dòng)化合成效率MCHC NMH G_潛力將對我們的生活質(zhì)量以及我們所生活的這個(gè)世界產(chǎn)生的不斷提高,有人預見(jiàn)在未來(lái)10~20年內,合成基因將成為深遠的影響。大膽設想學(xué)者們將可能構建出這樣一些微生普通實(shí)驗室的常用手段。在許多應用上合成手段將逐步取物,它們或者能夠將廉價(jià)的原材料轉化為可利用的物質(zhì)(例代現有的重組技術(shù)[50?；蚪M記載了生命活動(dòng)需要的遺傳如可降解的塑料)或者能被應用在解決環(huán)境污染和能源問(wèn)信息合成基因組的研究是如此重要以致有學(xué)者就將合成生574軍事醫學(xué)科學(xué)院院刊2006年12月第30卷 第6期物學(xué)視為建立在編碼DNA基礎上的生物系統的構建與應JAMA ,1968 206( 9 ) 1978 - 1982.用"[5。合成基因組-方面可用以研究難以獲取的基因或[3] Hartwell LH , Hopfield JJ , Leibler S , et al. From molecular to人工設計的核酸序列的生物學(xué)特性另- -方面也是人工合成modular cell biologyC J ]. Nature ,1999 ,402( 6761 Suppl ):C47 -52.微生物的首要步驟。Wimmer小組最早報道了不依靠天然模板從頭合成脊髓[4] McDaniel R , Weiss R. Advances in synthetic biology : on thepath from protoypes to applications[ J ] Curr Opin Biotechnol ,灰質(zhì)炎病毒的研究151。以合成的病毒eDNA基因組為模板2005 ,16(4 ) :476 -483.指導合成的蛋白質(zhì)具有與天然病毒蛋白質(zhì)相似的感染能力。[5] Stahler P , Beier M , Gao X ,et al. Another side of genomics該結果證明了人工合成病毒確實(shí)可行同時(shí)也驗證了已公布synthetic biology as a means for the exploitation of whole-genome的脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組序列的正確性。在這之后,Ventersequence informatio[ J] J Biotechnol ,2006 ,124( 1 ) :206 -等實(shí)現了人工全合成phi-X174噬菌體的基因組161。Venter212.研究小組是將合成病毒基因組作為合成人工微生物研究的[6 ] Benner SA. Synthetic biology :act natural[ J ] Nature 2003 A421第一步其長(cháng)遠目標是要應用人工微生物解決能源和環(huán)境問(wèn)( 6919 ):118.題。美國能源部資助了該研究項目并認為這-工作如同早[7] de Lorenzo V , Serano L , Valencia A. Synthetic biology : chal-期的測序工作一樣初看起來(lái)沒(méi)什么大用但從長(cháng)遠的發(fā)展來(lái)lenges ahead[ J] Bioinfomatics 2006 22(2)127- 128.看卻可能有著(zhù)巨大的潛力。美國、加拿大與日本的學(xué)者們[8] Elowitz MB , Leibler S. A synthetic osillatory network of tran-scriptional rgulator[ J] Nature 2000 A403( 6767 ) 335 - 338.共同進(jìn)行了合成甲型流感病毒的研究[7]。研究者們原想找到引起1918年流感大流行的病毒樣本加以研究。但提取西[9] Yokobayashi Y , Weiss R ,Amold FH. Directed evolution of a ge-netic cireui[ J] Proc Natl Acad Sci USA , 2002 ,99( 26 ):班牙亞型流感活病毒的努力未果只收集到了-些可供研究16516- 16518.的基因片段。于是研究者們對收集到的DNA病毒片段進(jìn)行[ 10] Kobayashi H , Kaem M ,Araki M ,et al. Programmable cells :in-分析據此人工合成了該株流感病毒編碼HA和NA的基因,terfacing nalural and engineered gene networks[J ] Proe Natl進(jìn)而獲得了新的流感病毒。該病毒表現出與西班牙亞型流Acad Sci USA 2004 ,101( 22 ) 8414 - 8419.感病毒相近的致病性。這-研究?jì)H依據基因組片段重新獲[ 11] Bulter T ,LeeS , Wong WW ,et al. Design of rifieial cll-cell得了已經(jīng)滅絕的毒株。conmunication using gene and metabolie networks[ J ] Proe Natl合成生物學(xué)研究有助于搞清楚病毒基因組所有序列在A(yíng)cad Sci USA 2004 ,101( 8 ) 2299 - 2304.病毒的感染及免疫機制中發(fā)揮的作用體現了由解構生命向[12] You LC ,Cox RS , Weiss R ,et al. Progranmed population control重構生命發(fā)展的趨勢，實(shí)現了邁向人工合成生命體的第一by cell-cell communication and regulated klling[ J ] Nature ,步。2004 428( 6985 ) 868 -871.[13] Levskaya A , Chevalier AA , Tabor JJ ,et al. Synthetic biology :3挑戰與機遇并存engineerng Escherichia coli to see ligh[J] Nature ,2005 438( 7067 ) 141 -442.在描繪這個(gè)領(lǐng)域美好前景的同時(shí)我們也應該看到合成[ 14] Martin VJ , Pitera DJ , Withers ST ,et al. Engineering a meval-生物學(xué)的發(fā)展尚不能一蹴而就。 在現階段阻礙其發(fā)展的重onate pathway in Escherichia coli for production of terpenoid[ J ]要因素是時(shí)間和費用的消耗[ 4]。最近在DNA的合成與錯誤Nat Biotechnol ,2003 21( 7 ) 796 - 802.校正技術(shù).上' 19]取得的進(jìn)步為合成長(cháng)且復雜的全基因組提供[15] CelloJ , Paul AV , Wimmer E ,et al. Chemical synthesis of po-了快速廉價(jià)的方法。采用蛋白質(zhì)介導[20]與特殊的雜交技liovirus cDNA : generation of infectious virus in the absence of術(shù)21]等錯配堿基修正的方法為DNA合成中經(jīng)常出現的錯natural templateC J] Science ,2002 297( 5583 ) :1016 - 1018.配問(wèn)題提供了更好的解決方案。合成生物學(xué)研究必須突破[ 16] Smith HO , Hutchison CA 3rd , Pfannkoch C ,et al. Generating a制約瓶頸才能蓬勃發(fā)展起來(lái)。synthetic genome by whole genone assembly : phi-X174 bacterio-作為后基因組時(shí)代的一門(mén)新興學(xué)科合成生物學(xué)已經(jīng)表phage from synthetic oligonucleotides[ J] Proe Nal Acad Sci現出了巨大的生命力和廣闊前景但隨之而來(lái)的生物倫理和USA 2003 ,10(0 26 ) 15440 - 15445.生物安全等備受關(guān)注的問(wèn)題令-些學(xué)者望而卻步。這不由. [ 17 ] Kobasa D ,Takada A , Shinya K ,et al. Enhanced virulence of in-fluenza A viruses with the haemagglutinin of the 1918 pandemic得讓人聯(lián)想到在30多年前方興未艾的DNA重組技術(shù)是否viru[ J]. Nature 2004 431( 7009 ) 703 -707.會(huì )對人類(lèi)健康造成威脅這-問(wèn)題也曾困擾過(guò)分子生物學(xué)界[18] Binkowski BF ,Richmond KE , Kaysen J ,et al. Crrecting errors的精英們。機遇與風(fēng)險并存雖然合成生物學(xué)的發(fā)展還面臨in synthetie DNA through consensus shuffling[ J ] Nucleic Acids著(zhù)理論、技術(shù)等諸多問(wèn)題，但其可行性與重要性已是有目共睹及早開(kāi)展合成生物學(xué)研究將極大地推動(dòng)經(jīng)濟與社會(huì )的發(fā)展猶豫不決會(huì )坐失良機。MHC NM H G1 Nucleie Acids Res 2004 32( 20 ) 2e162.[參考文獻][20] TianJ ,Gong H ,Sheng N ,e al. Accurale muliplx gene synthe-[ 1 ] Szybalski W ,kalka A. Nobel prizes and rstriction enzyme[ J]sis from progranmable DNA microchips[ J ]. Nature ,2004 ,A32Gene ,1978 ,4(3):181 - 182( 7020 ) :1050 - 1054.[2] Khorana HG. Synthetie mucleie acids and the genetic code[ J ](本文編輯 孫承媛)