中國生物工程學會會刊 ? ? 創刊于2005年

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加強合成生物學研究 發展生物產業

——訪中國科學院上海生命科學院楊勝利院士

時間:2018-08-01來源:生物產業技術 點擊:

 楊勝利,醫藥生物技術專家,中國生物工程學會名譽理事長,中國工程院院士。

合成生物學是生物科學在21 世紀剛剛出現的一個分支學科,其目的在于設計和構建工程化的生物體系,使其能夠處理信息、加工化合物、制造材料、生產能源、提供食物和處理污染等,從而應對人類社會發展所面臨的挑戰。合成生物學的發展將推動生物產業成為新的增長點。那么,如何結合我國的研究基礎制定合成生物學發展路線圖?目前我國應加強和優先突破合成生物學研究哪些領域?如何指導我國合成生物學健康有序發展?為此,中國科學院上海生命科學院楊勝利院士于緊張的會議期間接受了《生物產業技術》雜志的獨家專訪。

 

《生物產業技術》:作為一門新生的學科,合成生物學近年來研究進展很快。請您簡單介紹一下合成生物學發展歷程。

楊院士:合成生物學是生命科學的一個新分支,它與系統生物學是密切相關的。生命科學研究經歷不同的發展階段,最早的生物學我們現在叫宏觀生物學,包括分類、形態,隨著科技水平的提高,從宏觀逐步轉向微觀,逐漸從機體、器官、組織、細胞到基因、蛋白質。20 世紀50 年代,沃森和克里克提出DNA雙螺旋模型,是生命科學進入分子生物學時代的一個標志。在世紀之交,科學家完成了一個偉大的工程——人類基因組測序計劃,有力地推動了分子生物學時代向系統生物學時代轉變。系統生物學使生命科學的理念和方法發生巨大的變化,系統生物學把系統學、數學、信息學等科學和技術整合到生命科學,用以構建生命活動的網絡和數學模型,為合成生物學打下了堅實的知識基礎。簡單地講,系統生物學使生命科學系統化,而合成生物學使生命科學工程化,這是在生命科學發展過程中兩個重要里程碑。長期以來,生命科學是實驗性科學,由實驗科學到工程科學對生物學家是一個很大的挑戰。大家都知道,電子技術最基本的元件包括電阻、電感、電容,可用這三種元件構建各種功能模塊,即集成電路,然后根據設計組裝各種各樣的機器。合成生物學的基本工作模式是借鑒電子技術的模式把生命的元件——基因,標準化后用以構建各種功能模塊,然后組裝成生物機器,合成生物學的最終目標是要合成各種各樣自然界沒有的新生命體。

《生物產業技術》:結合國際合成生物學發展動態及我國現有研究基礎,設計出我國合成生物學發展的路線圖,有哪些重要的現實意義?

楊院士:合成生物學發展路線圖將集中這個領域及相關領域的科學家的智慧,研討并編寫我國合成生物學發展的目標、戰略、框架、主要研究領域和產業及其發展的時間表。合成生物學的路線圖與其他生命科學的路線圖相比更應體現預測科學、工程科學的理念,并與產業發展有更高的關聯度,以推動我國合成生物學和生物技術產業的發展。

《生物產業技術》:在推動我國合成生物學發展過程中,在底盤生物以及合成元件的選擇和研究方面,您有哪些好的建議?

楊院士:底盤生物的選擇,基本上趨向于和應用目標結合。工業微生物產業里常用的一些工業菌株可作為候選對象,例如作為基因工程蛋白生產主要體系的大腸桿菌、生產抗生素主要體系鏈霉菌、生產氨基酸的棒狀桿菌、在環境治理方面具有諸多降解酶的假單胞菌等都是可以考慮作為底盤生物。根據應用目標的需要以及技術的可行性,包括其基因組序列及注釋、組學研究、生理、生化研究和基因操作工具等選定底盤生物。目前元件主要包括兩類,一類是細胞生命活動必需的元件、一類是產品導向的元件和模塊,即要生產哪些產品需要哪些元件和模塊,通用的元件和產品導向元件在底盤細胞上組裝成一個細胞工廠。在元件方面,除了通過元件、模塊的標準化,還需要加強適配性的研究,使元件具有通用性,能裝配到各個底盤細胞里。

《生物產業技術》:目前我國應在現有的研究基礎上對哪些領域進行優先突破?

楊院士:我國生物技術產業的規模很大,基礎相對還是比較好的,但在創新能力和技術水平方面與發達國家仍有差距,因此我們常說我國是生物技術產業大國,但還不是強國。國際科技界普遍認為合成生物學是生物技術的未來,將重塑生物技術產業,因此又好又快發展合成生物學的研究和應用是我國生物技術產業由大國變為強國的關鍵。我國在工業菌株的分離、高產菌株的誘變和選育、基因工程、蛋白質工程、代謝工程和過程工程等研究方面都有較好基礎,但整體處于跟蹤水平。近五年合成生物學研究取得了較快進展,但還處于起步階段,我國科學家積極參與了國際競爭。”973”計劃也率先支持了合成生物學與細胞工廠的研究。合成生物學將首先在工業生物技術產業得到廣泛應用,包括生物基化工品和藥品、生物材料、生物燃料等,這個領域應用的特點是與傳統技術的有機結合和通過各種新技術的應用進一步提升和優化。

在農業方面,轉基因作物研究顯著提高了作物抗病蟲害能力,合成生物學將重點沖擊植物的光合作用機器和固氮機器,以提高光合和固氮效率;提高作物的抗逆能力也將是合成生物學研究的重點,設計和合成抗干旱、抗鹽堿的作物,以利用非耕地和逆轉沙漠化;能源作物是在前兩項研究基礎上開拓的新領域,將推動生物能源產業的發展。

在環境方面,合成生物學在技術層面可能要進入一個更高的層次,因為通過基因工程能把許多降解基因導入到一個微生物,但往往在持續有效的工作方面尚有一定的難度,在自然環境里,微生物的整治通常是通過混合菌群來完成的,元基因組和合成生物學研究是提升和優化生物整治的有效技術;生物傳感器將在環境的監控中得到廣泛應用。

醫藥生物技術產業是生物技術產業的先導,合成生物學將不僅用于提升現有產業而且開拓新生長點,加速醫學進入預測醫學、預防醫學、個性化醫學、參與醫學的時代。各種芯片、生物傳感器、基因機器將是合成生物學研究的重點,生物傳感器與無線通訊工具的偶聯將有效地提高疾病防控的能力。

除了這些,合成生物學將開拓新的產業,例如生物電池、生物計算機等產業,盡管目前我們的想象力還十分有限,但是發展空間是巨大的。

《生物產業技術》:合成生物學已經引起社會廣泛的關注和討論,因其涉及生物安全、道德倫理以及生態問題,不少科學家對合成生物學潛在風險表示擔憂,您是如何看待這個問題的?

楊院士:技術水平越高,風險也越大。工業菌種及高產菌株的選育,是在特定的菌種里進行的,沒有太多生物安全問題,但是基因工程的出現引起了很大的爭議,因為其具有常規育種欠缺的定向改造基因和基因跨物種轉移能力,合成生物學的最終目標是設計和合成新生物體, 因此合成生物學的能力和潛在風險是以往任何生物技術無法比擬的,隨著合成生物學研究和應用的進展適時地制定相應的政策和法規將是合成生物學健康發展的保證,但光有政策和法規還不夠,必須加強倫理道德教育和做好科普工作。

                                 (全文刊登于《生物產業技術》2011年第3期)

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