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合成生物学:颠覆性生物科技?—新闻—科学网

发布时间:2017-12-04 阅读:

  合成生物学:破坏性生物技术? - 新闻 - 科学网络

  中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室,北京100101

  摘要:近10年来,合成生物学的发展受到广泛关注。为了集中研究这一领域的最新研究进展,该组织发表了这一合成生物学专题。本专题分为科学意义,新技术和新方法与应用三个部分,着重于合成生物学的科学内涵,技术进步和合成生物学在医学,医学,农业,材料,环境和能源领域的应用。前景。

  关键词:合成生物学,基因组组成,生物制造,基因编辑

  合成生物学是一门新兴的科学技术领域。她的组建有一系列的里程碑事件。

  在2002年合成基因组中,人类首次合成病毒[1]; 2010年,第一个合成基因组原核生物(支原体)出来了; [2]; 2014年,第一个合成酵母染色体在酵母细胞中显示出正常的功能[3]。然后,2017年3月,Science在酵母基因组项目中逐一报道了另外5条染色体的合成Sc 2.0)[4]其中四人主要由中国学者袁应进,杨焕明,戴俊彪完成。目前,酵母细胞中所有16条染色体的设计合成已经完成了约三分之一。可以预料,第一个真核细胞染色体即将出现。更令人震惊的是,在2016年,美国学者开始积极计划有争议的人类染色体合成[5]。

  长期以来科学家提出了“最小细胞”的假说,即一种生物体可能含有必需基因和非必需基因。除去非必需基因后,生物体仍应存活和繁殖。研究最小的细胞或最小的基因组有助于理解基因的功能,了解生命的起源,但是实验是非常困难的。简单的复杂性[6]使许多专家感到沮丧。经过全基因组基因突变和基因敲除后,Gregory A Buck实验室最初确定了Streptococcus sobrinus的基本组合[7]; Craig Venter实验室从901个丝状支原体基因中鉴定了428个非必需基因,然后合成了一个简单版本的仅含有473个基因的基因组,以获得最少的合成细胞,尽管这些基因中的189个基因的功能尚不清楚[8]。最小的细胞或基因组的研究不仅具有重要的科学意义,而且以最小的基因组作为底物,增加新的基因,使细胞能够制造人类所需要的物质,具有重要的现实意义。

  尽管细胞底物尚未投入实际使用,但遗传重编程和细胞工程工程已经成功地合成了抗疟药物,如蒿甲醚(酸)[9],麻醉阿片类药物[10]和抗生素林可霉素[11]其他珍贵药物,是合成生物学和代谢工程的成功范例。

  合成生物学的研究进展在学术界和公众中产生了广泛的影响。通过百度搜索(2017年3月14日),得出合成生物学1 730 000个,合成生物学3 550 000个。英文搜索结果和基因编辑的CRISPR搜索结果是可比的(3 090 000)。许多着名的科学媒体和智库都将合成生物学引为改变世界的技术之一。对此,我看好的原因如下。

  合成生物学是科学第一。有人甚至把它称为第三次生命科学革命。我认为在现代生命科学中,DNA双螺旋结构的发现使生命科学研究进入了分子遗传学和分子生物学的时代,首次算盘;人类基因组测序的顺利进行使得我们能够大规模地阅读遗传信息,将生命科学引入组学和系统生物学时代,可以算第二;而合成生物学则是以系统生物学为基础,结合工程学的概念,运用基因合成,编辑,网络调控等新技术写出新的生活方式,或改变现有的生活方式,这将大大提升水平了解生命的本质,其科学意义是显而易见的。

  合成生物学具有生物制造特性。生物制造业经历了两次革命。第一次发生在20世纪五六十年代,现在我们称之为传统生物技术,是通过工业化生产抗生素,氨基酸,维生素等药物,食品和营养物的大规模发酵。第二次发生在20世纪80年代,分子遗传学的发展导致了基因操作技术的发展,通过基因的克隆,表达,修饰或转移,实现了各种高附加值的生物制品,一个基因,一个产业,今天的发展生物技术的战略性新兴产业合成生物学是利用系统的生物学知识,用工程科学的概念,从基因组合成,基因调控网络和信号转导通路到人工设计合成细胞,完成单基因操作艰巨的任务来实现,将大大提高基因生物技术能力,扩大应用范围,因此有理由相信合成生物学正在催生第三代生物技术。

  有鉴于此,“生物工程”编辑部决定出版第二期合成生物学。本专题共分为3个部分,共18个,分别对合成生物学的科学意义,技术进展和应用前景进行了介绍。

  从科学意义上讲,刘晨礼和傅雄飞团队(中国科学院深圳先进技术研究所)研究了生物基因网络调控机制,单细胞和多细胞以及生态过程,科学内涵。蒋慧峰研究员(中国科学院天津工业生物技术研究所)讨论了天然来源新基因的进化和人造设计,以实现各种生物生物尚不能催化的生化反应。

  七个相关的技术方法的发展。任何新一代的技术,其特点都必须是创新的,甚至是颠覆性的。基因组合成和基因编辑是合成生物学的核心技术,涉及长片段的合成,组装和纠错,其中有许多工程和科学问题有待解决。清华大学戴俊彪研究员结合作者自己的实验,合成酵母染色体Sc 2.0,系统地讨论了基因组的设计和合成,并将其带到了艺术领域。王金研究员(上海植物生理生态研究所中国科学院生物科学研究院)讨论了DNA合成与组装,并系统介绍了基于CRISPR的基因组编辑工作。李茵团队(中国科学院微生物研究所)专门介绍了新一代基因组编辑系统CRISPR / Cpf1 ;清华大学王清团队着重分析合成基因线大规模设计所面临的挑战,并提出解决方案;北京大学魏平队介绍了自然信号网络的动态功能,合成信号网络的改进设计生物学及其未来应用娄春波(中国科学院微生物研究所)预言了这一点细胞生理学对插入元件的影响,提出人工遗传元件的合成生理学;李锋(中国科学院武汉病毒研究所)和作者(中国科学院生物物理研究所)及合作者介绍了如何利用生物大分子自组装的自然特性合成多维生物纳米粒子,功能结构和生物设备。

  接下来是合成生物学的应用。雷德,赵德华团队(斯坦福大学)讨论了基因组工程,特别是CRISPR基因编辑技术在医学合成生物学中的应用;华海师范大学叶海峰研究小组提出建立哺乳动物合成生物学系统,在药物研究领域,研究人员基于合成基因电路(清华大学谢震研究组)研究了智能药物, (刘天刚武汉大学药学院,武汉大学中南医院徐彦成团队),基于合成生物学的药用植物活性代谢产物雄心勃勃的新药本(上海科学院中国科学院生物科学研究所植物生理生态研究所王勇队)。最后,我们讨论了合成生物学在农业上的应用(光合作用)(中国科学院中国科学院植物研究所彭连伟,中国农业科学院深圳农业基因组研究所钱万强研究组),材料科学(中超上海理工大学材料科学与工程学院)环境修复(上海交通大学唐洪志队)和新能源(微生物电转化)(天津大学宋昊队)等领域。本摘要概述了合成生物学的主要应用领域,主要是可预测的。

  这个特刊即将打印出来,我想再补充三点感受。

  近几年来,合成生物学的基本原理和概念以及伦理问题得到了广泛的介绍。这个特殊问题不会重复,而是集中在最近的研究进展上。然而,即便如此,合成生物学的发展速度对于贡献者来说也是如此之快。例如,科学界最近报道了中国学者在Sc 2.0项目中取得的重大进展。在这个特刊印发之前,我们既兴奋又鼓舞,不得不要求戴俊彪先生更新自己写的内容。

  在我国,合成生物学的研究经历了近十年的发展。当我们写这个特刊的时候,常常会想到一些相关的人物和事情:杨胜利,欧阳平凯,曹竹等在专家层面为国家973合成生物学项目做出了重要贡献。赵国平代表中国在中国,美国,英国和英国的六个研究院(科学院和工程院)组织了一系列合成生物学会议,共同研究中国的合成生物学。杨焕明很早就告诉了我这个最小的基因组的故事,并经历了这个实践,马延和先生带领的植物研究带领了973合成生物学项目的宝贵经验,陈国强先生在苏州冷泉港举行的亚洲系列合成生物学大会上发挥了主导作用袁英金先生多次向我们介绍了酵母染色体合成过程中的困难,终于取得了成功,取得了飞跃。邓子新先生在上海建立了合成生物学的战略联盟,并设置了重要的一面旗帜。林樟林先生和冯燕女士不仅主持了973计划的承诺,而且致力于发展我国合成生物学。欧阳勋先生不仅在建设合理的生物模块方面做出了重要贡献,而且在自下而上的基础上建立了生物系统。他还对中国合成生物学的现状做了一个非常令人印象深刻的评估。来自中国多所大学的学生连年参加iGEM大赛,令人鼓舞和鼓舞。还要特别提及前英国使领馆前科技部部长陈福韬先生,他多年前向我介绍了访问英国皇家工程院,与“合成化学”杂志的起草者生物学“[12-13],促使我们着手启动中国合成生物学专题,由973计划专家咨询小组组长周光召先生和许冠华先生支持。两年来,专家们为建立“十三五”国家合成生物学专项项目贡献了智慧和力量,坚持不懈。

  但是,在组织这个专题时,我们把目标转向了活跃在这个领域的精力充沛的年轻专家。感谢刘晨礼先生,他热情地向我推荐了一批优秀的综合生物学青年学者,他们的特长是青年,尤青,百人等青年的羡慕。在这次专题的合作与合作中,我感受到了他们高品质的专业精神和不懈的探索精神,展现了我国合成生物学的美好未来。

  参考

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  Gibson DG,Glass JI,Lartigue C等人创建由化学合成基因组控制的细菌细胞。科学,2010,329(5987):52 56。

  Annaluru N,Muller H,Mitchell LA等人功能性设计者真核生物染色体的全合成。科学,2014,344(6179):55 58。

  Mercy G,Mozziconacci J,Scolari VF等人3D合成染色体和乱序染色体的组织。科学,2017,355(6329):eaaf4597。

  Dance A. Synthetic human genome set to spur applications,Nat Biotechnol,2016,34(8):796 797。

  Peterson SN,Fraser CM。简单的复杂性,基因组生物学,2001,2(2):1 6。

  许,葛曦陈,等血链球菌基因组全基因鉴定Sci Rep,2011,1:125。

  Hutchison CA 3rd,Chuang RY,Noskov VN等人。最小细菌基因组的设计和合成。科学,2016,351(6280):aad6253。

  Chou HH1,Keasling JD。编程自适应控制来演变增加的代谢产物。 Nat Commun,2013,4:2595。

  Galanie S,Thodey K,Trenchard IJ等人。阿片在酵母中的完全生物合成。科学,2015,349(6252):1095 1100。

  赵琦王敏徐铎两种小分子硫醇的代谢偶联计划了林可霉素A的生物合成.Nature,2015,518(7537):115119。

  皇家工程院。合成生物学:范围,应用和limplications。 2009年。

  皇家工程院。合成生物学:合成生物学的公共对话。 2009年。

  文章来源:

  张先恩2017年前言合成生物学前言。生物工程学报,2017,33(3):311 314。

  张××前言合成生物学专刊(2017)。 Chin J Biotech,2017,33(3):311 314。

  原始链接:

  http://journals.im.ac.cn/html/cjbcn/2017/3/gc17030311.htm

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