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《合成生物学一大技术难题被攻克》

  • 来源专题：转基因技术
  • 编译者： dingqian
  • 发布时间：2016-11-21

  • 美国麻省理工学院(MIT)官网14日发布公告称，该校研究团队攻克了合成生物学的一大技术难题：将不同遗传线路分隔在单个人工合成细胞内，以阻止它们相互干扰，从而可串联成更加复杂的遗传线路，合成更加复杂的药物分子。这一新方法可以帮助研究人员设计出全新遗传线路，并有助于揭开地球生命早期起源之谜。

    研究团队在《自然·化学》杂志上发表论文称，他们将遗传线路包裹在脂质体液滴中，这些脂质体拥有与细胞膜非常相似的脂肪膜，可扮演人工细胞的角色，除了能识别DNA和合成蛋白质外，没有其他任何细胞功能。该校生物工程兼脑认知科学副教授爱德华·博伊顿表示：“脂质体在遗传线路间筑起一道‘墙’，使它们不能相互交流，即使‘住’在同一个细胞工厂也不会相互干扰。”

    研究团队还证明，该方法可用来生成包含不同生物体遗传线路的复杂线路。他们将含细菌遗传线路的人工细胞暴露在茶碱分子中，诱导多西环素分子（一种治疗上呼吸道感染的药物）离开脂质体，并进入含哺乳动物遗传线路的脂质体中，多环西素在此会激活遗传物质生成荧光蛋白——荧光素酶。博伊顿解释道：“细菌遗传物质与哺乳动物遗传物质组成的混合线路系统中，细菌线路就像计算机程序，而哺乳动物线路更像工厂，两者结合后通过感应脑细胞或其他细胞发出的分子信号，可生成抗体等复杂生物药物。”

    研究人员还将一种名叫“SNAREs”的蛋白质插入脂质体的脂肪膜表面，不同脂质体通过这些表面蛋白键合而融合在一起。抓住调控这些脂质体的融合时机，就能让它们生成的分子结合成想要的最终产品。

    博伊顿表示，他们的合成细胞方法不仅能帮助合成生物学研究改进现有方法，还能用来模拟地球早期生物的行为特性，帮助建立地球生物的物理环境，从而有助于在太阳系和其他星系寻找生命迹象。

  • 原文来源：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2016-11/16/content_354318.htm?div=-1
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相关报告

  • 《合成生物学技术驱动上海农业创新场景》
    • 来源专题：耕地与绿色发展
    • 编译者：张毅
    • 发布时间：2024-10-16
    • 今年9月初，在科技部和上海市人民政府共同主办的2024浦江创新论坛上，一项关于“RNA生物农药绿色制造”的参赛项目斩获全国颠覆性技术创新大赛最高奖“卓越奖”，奖项颁发给了硅羿科技（上海）有限公司创始人、上海交通大学农业与生物学院首席研究员唐雪明教授。奖项的授予，也让与会者的目光聚焦在对RNA生物农药的关注上。 要理解RNA生物农药对国家农业生产和粮食安全意味着什么，要先认识我国农业绿色发展的未来走向。新一轮的科技革命和产业革命加速演进，被誉为第三次生物技术革命的合成生物学迎来全球化高速发展期。当前，国家对合成生物学研究支持力度大增，在2022年5月由国家发改委印发的《“十四五”生物经济发展规划》中，多次提及合成生物学在农业、医药、食品等领域的应用。尤其在农业领域，关于节能减排、病害防控、提升生长效率等绿色话题成为重点。今年6月，上海市政府办公厅发布的《关于加快推进本市农业科技创新的实施意见》中，也将合成生物学技术应用作为布局农业科技新赛道的重点方向之一，对挖掘生物制造潜力、推动农业绿色发展给予了很高的期待。 合成生物学之于农业科技创新的推动，表现在生物育种、生物制造、食品营养与健康等诸多领域。近两年，在市农业农村委的支持下，不少科技创新项目正瞄准相关学科的技术创新和成果转化，积极为新赛道布局投石铺路，而像硅羿科技这样一些有竞争力的上海本土企业及科研团队犹如黑马，为上海农业新质生产力增添新动能。 加快生物绿色农业布局。 “RNA生物农药在环境（土壤或水流）当中，基本在3－4天内就能降解。在可检测范围内，硅羿科技进行了多方面检测验证，结果表明，RNA生物农药的安全性能好，降解之后的残留很少，但速效性快，持药性长，它通过叶片进入到植物体内，在植物叶片甚至根茎中能够保留到20－30天，被国际同行喻为‘植物疫苗’。”唐雪明说。 普遍来看，传统化学农药研发周期长，费用高，同时使用过程产生的环境污染，农作物易产生抗性等问题难以解决，对农业绿色可持续发展带来负面影响。唐雪明说，RNA生物农药的“颠覆性”在于，以RNA干扰的方式，靶向干扰宿主（昆虫或病菌）关键因子mRNA，实现对病虫害的精准灭杀。 具体说来，就是通过细胞工厂或无细胞合成的方法，制备出具有特异性靶向宿主（昆虫或病菌）的dsRNA，直接作用于mRNA，作用时，大片段dsRNA会被多次切割，其中一个与靶标基因结合一次就会激发靶基因沉默；在自然环境中，dsRNA可实现快速降解，降解的产物还能作为植物生长的促进剂，被作物再次吸收，不仅环境友好还能促进增产。 新技术的优势还在于，其研发周期仅3－6个月。目前，团队正从无到有地创制以纳米技术搭载RNA农药，以进一步提升农药的吸附能力，降低研发成本；同时，形成了基于AI智能算法靶点筛选技术平台和dsRNA生物规模化合成，进行制剂研发的全链路生产工艺。 我国“十四五”全国农药产业发展规划中，首次将RNA生物农药列入优先发展规划。而国际上，像孟山都、拜耳、先正达等农化龙头企业，也更早落子布局，瞄准了对RNA生物农药关键核心技术的攻克。 2017年，唐雪明创立硅羿科技时，看准了RNA干扰技术应用于农业绿色防控领域的巨大潜力空间。这是他在耶鲁大学从事博士后研究，到10年后在牛津大学担任客座教授时，持续关注并感到得心应手的技术领域。事实印证了他的判断，硅羿科技成为中国首家RNA生物农药高新技术企业。 不过，从国际国内相关领域发展来看，仍然普遍缺乏产品研发标准，新材料获批和监管难度也很大。硅羿科技领跑于新赛道，主持制定了全球首个RNA生物农药的产业化标准，获得国内最早颁发的4张RNA农药“核酸干扰素”命名函，目前，已获得8张；也创制了全球第一个RNA杀菌剂和国内第一个RNA杀虫剂。 在上海，除了像硅羿科技这样的“黑马”，同样瞄准以合成生物学来推动绿色农业技术革新的农业创新企业还有不少。位于崇明陈家镇的长三角农业硅谷科创企业孵化园，正加快对农业新兴产业和未来产业的布局。比如，康码高产（上海）生物有限公司基于全球领先的D2P蛋白制造技术，研发为农作物提供替代化肥的蛋白营养液生物肥料，已建成目前全球最大的体外合成蛋白质工厂；上海植科优谷生物技术有限公司也正进行RNA农药开发等。 寻找更多农业应用突破点。 在上海市农业科学院生物技术研究所-农业合成生物学研究中心，有我国最早成立的从事农业合成生物学研究团队。近来，在市农业农村委科技创新项目支持下，团队创始人姚泉洪研究员正带领团队着手一项新课题，以水稻种子反应器为平台创制富含麦角硫因的稻米。 麦角硫因是一种天然氨基酸，能够清除自由基、有抗氧化、抗衰老、抗辐射等多种生理功能。该课题相关负责人彭日荷介绍，水稻种子合成麦角硫因，不存在人类病原或微生物毒素等安全顾虑，且在稻种中的生物活性物质比较稳定，有望让麦角硫因生产变得简单、经济，同时提升稻米附加值。 事实上，这样的科研创新并非只是在植物中合成营养成分的简单逻辑。在研究团队眼中，水稻被喻为“植物细胞工厂”，他们通过寻找或改造植物底盘，找到合适的“植物细胞工厂”，从而借助其丰富的酶库、各种细胞区室及其高度发达的细胞内膜系统，实现复杂的生物合成。 在国内，青蒿素和紫杉醇的商业化生产就成为典型案例，证明了合适的植物底盘作为“植物细胞工厂”在植物活性天然产物生产中的重要作用。而在上海，姚泉洪团队通过合成生物学技术，以水稻种子为底盘，创制出了富含β-胡萝卜素的金水稻、甜菜红素水稻、高含量虾青素稻米、核黄素稻米、叶酸水稻和Vc稻米等；以毕赤酵母为底盘创制出了高比活耐高温饲用植酸酶、木聚糖酶、β-葡聚糖酶等重要饲料酶工程菌种；以大肠杆菌为底盘研制获得一步法生产Vc、VB2、天然抗癌物质terrequinone A、抗衰老物质NMN、助眠物质褪黑素以及完全降解各种有机污染物工程菌种。 这些看似繁复的成果的取得，对高附加值农作物生产和健康生活品质改善有重要影响。目前，该团队正在促进相关科技成果转化，这也是商业化生产所看中的重要价值。 近两年，合成生物学技术推动农业科研创新，其显示度不断提升。新形势下，合成生物学农业交叉学科建设正积极推进，更大程度鼓励高校、科研院所和企业开展产学研协同创新，并通过跨学科、跨领域的专家引进，引育一批生物育种、生物制造等顶尖科学家及创新团队。 今年以来，浦东的张江种谷、崇明的长三角农业硅谷和奉贤的上海农业科创谷等产业园区的落地和错位发展持续收获关注热度，一批生物育种、生物制造的农业企业和科研团队作为“隐形冠军”引驻，其创新项目也引来期待，这些为推动未来农业的绿色转型升级，形成新兴农业产业链打下潜在基础。
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  • 《合成生物学：生命科学的“利器”》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：王晶静
    • 发布时间：2020-11-26
    • 人类进入21世纪以来，一门新兴的交叉学科“合成生物学”成为国际科学前沿一大热门。合成生物学，能利用大肠杆菌生产大宗化工材料，摆脱石油原料的束缚；酵母菌生产青蒿酸和稀有人参皂苷，降低成本，促进新药研发；工程菌不“误伤”正常细胞，专一攻击癌细胞；创制载有人工基因组的“人造细胞”，探究生命进化之路；利用DNA储存数据信息并开发生物计算机……作为科学界的新生力量，合成生物学进展迅速，并已在化工、能源、材料、农业、医药、环境和健康等领域展现出广阔的应用前景。 探究生命起源演化 解读“密码”改造自然 生命是世界上最复杂的物质存在。人类自诞生以来，就在认识生命的漫漫长途中上下求索。从中国古代的《黄帝内经》和《本草纲目》，到西方近代博物学家对动植物分类，人类对于生命现象的认识，都是从对生命体的“宏观”观察、“表观”描述而获得的经验型逻辑总结。另一方面，对于譬如尿素之类的“有机物”，化学家们也认为只能由生物体在一种神秘的“生命力”作用下产生。 1828年，德国化学家弗里德里希·维勒无意在无机实验中合成了尿素，揭开了人工合成有机物的“合成化学”序幕。也就是从19世纪后期到20世纪前半叶，基于数理化技术与方法的实验科学催生了认识生命共同本质的细胞生物学、生物化学、遗传学和发育生物学，而进化论的诞生，则最先将人类对生命的认识，提升到了理论的高度。 20世纪中叶，随着DNA双螺旋结构的发现，分子生物学“中心法则”的确立，人类开始找到生命现象的“密码本”。而生命另一类基本分子，具有生理活性的蛋白质牛胰岛素一级结构的解析，直接导致了我国科学家于60年代完成其全人工合成，即世界上首次人工合成蛋白质。在同一时代，DNA测序技术的建立，实现了人类“读基因”的梦想；DNA重组技术的建立，实现了人类“写基因”的梦想；再加上在基因定向突变与敲除基础上的“编基因”梦想的实现，分子生物学及基因工程技术在上世纪80年代，将生命科学推向了历史上第一次革命的顶峰。 至20世纪末，人类基因组计划带来了第二次革命，实现了基因组的全面“解读”，人类对生物体组成和生命规律的认识达到了前所未有的系统生物学的深度和定量生物学的精度。2010年，科学家合成约100万碱基的支原体基因组，并将其转入另一种支原体细胞中，获得可正常生长和分裂的“人造生命”，实现了“撰写”基因组的梦想。此后，科学家又合成了非天然核苷酸、非天然氨基酸；并采用“编辑”基因组的手段，创建出人造单染色体真核细胞……人类掌握了“读”“写”“编”基因组的技术手段，获得了设计与合成生命的能力，200年前盛行于世的“生命力”学说被完全克服。 什么是合成生物学？ 有什么样的认识（科学）和手段（技术）就有什么样的工程。古代，通过“尝百草”检验植物药性，建立中药体系，通过人工驯化与优选，获取种质资源，建立畜牧业与农业体系，都是利用当时的生物认识和生物技术，造福人类的典型工程实践。今天，怎样利用对生命“密码本”的认识及对其“编写”的手段，改造自然、造福人类？21世纪初， 科学家们将工程科学的研究理念融入现代生命科学，发展出以合成生物学为代表的“会聚”研究，促成了生命科学的第三次革命。 合成生物学采用工程学“自下而上”的理念，打破“自然”和“非自然”的界限，从系统表征自然界具有催化调控等功能的生物大分子，使其成为标准化“元件”，到创建“模块”“线路”等全新生物部件与细胞“底盘”，构建有各类用途的人造生命系统。这一与系统生物学“自上而下”解析理念相反的合成理念，也将我们习以为常的“格物致知”研究策略，推进到了“建物致知”的新高度。这样，进化过程中“猜测”的祖先物种或分子体系，将可能被合成，并加以定向的诠释；而被各种“假说”“对照”分割研究的复杂生命现象，也可以实现整合的定量研究，解析因果机制。 合成生物学采用工程学“设计—合成—测试”的研究方法，在学习抽象自然生命系统的基础上，或对自然生物系统“重编程”，或重头设计具有全新特征的人工生命体系；然后，利用“基因编辑”“基因合成”等“工具包”，用实验方法来构建，再对构建出来的生物系统进行测试，如此反复循环优化，形成了一个正向可靠的科学闭环。建筑在如此大规模通用化工程平台基础上的合成生物学，往往也被称为“工程生物学”，它“建物致用”的工程能力，有望为解决健康、能源、粮食、环境等重大问题做出新贡献。 破解资源环境难题 赋能人类健康事业 当前，资源短缺、环境污染、气候变化等全球问题日益凸显，合成生物技术为实现“社会—生态/环境—经济”和谐发展提供了全新解决方案。 石油是储量有限的不可再生资源，迟早有枯竭的一天，这是人类生存发展必须严肃应对的问题。在理论上，绝大多数石油化学品都能够借助合成生物学技术制得，人们还可通过生物合成技术制造出传统化工无法合成的新燃料。同时，合成生物学在人工固碳、利用二氧化碳方面取得进展。例如，科学家通过对细菌进行人工优化和改造，建造可将大气中的二氧化碳转化为酮、醇、酸等化学品的“细胞工厂”，实现二氧化碳等资源的高效综合利用，推动建立低能耗、低污染、低排放的低碳经济模式。 随着全球人口不断增长，环境污染加剧和气候持续变化，人类食品和环境安全面临巨大挑战。利用合成生物学技术，创建适用于食品工业的细胞工厂，将可再生原料转化为重要食品组分，这被认为是解决食品问题的可行途径。在农业生产中，氮肥使用量大幅增加带来的土壤板结和酸化等问题，可以通过合成生物学“微生物固氮”技术得以有效解决。在环境治理领域，可以通过“定制”微生物去除难降解的有机污染物，也可开发出人工合成的微生物传感器，帮助人类监测环境，设计构建能够识别和富集土壤或水中的镉、汞、砷等重金属污染物的微生物，以大幅提升污染治理效能。 合成生物学在生命健康领域也有广阔的用途，不仅能够用于天然产物等医药产品的生产，还能在疾病研究模型的开发、生物标志物监测、干细胞与再生医学等领域发挥巨大作用。例如，人体肠道内具有丰富多样的微生物，合成生物学为肠道微生物的改造提供了工具：一方面，可以设计改造对人体有益的细菌，让它们生产人体自身不能合成的维生素等营养物质；另一方面，可以设计出感知肠道环境变化的“智能微生物”，对人体内的健康状态进行检测和诊断。 在抗击新冠肺炎疫情中，合成生物学技术发挥了重要作用，展现了强大应用潜力。例如，利用DNA条形码技术改进测序流程、利用基因编辑技术开发核酸诊断试剂，提高诊断的准确性和灵敏度。利用合成生物学技术还可以寻找潜在的小分子药物、开发疫苗，以及通过调节人体微生物组来激活人体免疫系统，提高人体抗病毒能力。 改造生命的目的，是为了更好地认识和调控生命现象，使之为改善生态、提高人类生命生活质量服务。未来，在人工智能和大数据等新技术推动下，合成生物学将赋予人类更强的“改造自然，利用自然”的能力，当然，同时也会带来社会伦理与安全等新问题。我们必须在思想上明确该做什么，怎么做才是正确的；在做好风险评估并开发防控风险的技术和策略的同时，及时制定相应的研究规范、伦理指导原则和相应的法律、法规，并辅以可落实的管理规章与监管办法。 人类数百万年对于生命的探索，经过最近两个多世纪的三次革命，才达到了“合成生物学”的高度，形成了工程化的能力。然而，这只是“万里长征第一步”。用好合成生物学的“利器”，为实现建设社会主义现代化强国的理想作出贡献，还需要投入大量心血，提升知识、创新技术、踏实转化、服务需求。中国科学工作者对此责无旁贷。 （作者为中国科学院院士、中国科学院合成生物学重点实验室专家委员会主任）
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