本文摘要：摘要：合成生物學旨在基于工程學原理，通過人工合成生物調控元件、模塊和基因調控網絡等對細胞進行設計和改造，以實現細胞和生命體的定向演化。在醫學研究中，合成生物學主要采用人工設計合成治療性的基因回路，制備工程化細胞植入體內，糾正機體已發生缺陷
摘要：合成生物學旨在基于工程學原理，通過人工合成生物調控元件、模塊和基因調控網絡等對細胞進行設計和改造，以實現細胞和生命體的定向演化。在醫學研究中，合成生物學主要采用人工設計合成治療性的基因回路，制備工程化細胞植入體內，糾正機體已發生缺陷的生物調控元件，以達到治療疾病的目的。本文對合成生物學的興起、發展及其在醫學中的應用和研究進展進行了綜述。
關鍵詞：合成生物學;基因工程;細胞療法;基因回路;生物傳感器;光遺傳裝置;溫控裝置;生物物質調控
合成生物學(syntheticbiology)是一門匯集生物學、基因組學、工程學和信息學等多種學科的交叉學科，其實現的技術路徑是運用系統生物學和工程學原理，以基因組和生化分子合成為基礎，綜合生物化學、生物物理和生物信息等技術，旨在設計、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化過程，以構建具有生命活性的生物元件、系統以及人造細胞或生物體。合成生物學發展早期設計和構建的生物元件，主要應用于原核生物或簡單真核生物，如酵母等[1]。隨著基因組信息和分子克隆技術的不斷發展與完善，許多真核細胞的生物元件也被設計并成功合成[1]。由于分子生物學和細胞生物學技術的進步，基因療法和細胞療法為疾病治療提供了一種全新模式。
細胞療法是通過體外細胞移植，以實現治療疾病的目的[2]�；蛑委焺t是將外源正�；驅氚屑毎�，以糾正因基因缺陷引起的疾病[3]。合成生物學融合了基因療法和細胞療法，將轉染了具有治療功能的人工合成基因回路(genecircuit)的工程化細胞植入生物體內以實現治療疾病的目的，是臨床治療手段的重大變革。同時，與傳統治療方式(如藥物治療、放射治療以及手術治療等)相比，合成生物學可在更大的時空范圍內，通過影響機體的特定生物學過程而重建生命內穩態，以達到治療疾病的目的，更是一種醫學模式和治療理念的轉變。本文對合成生物的起源、發展及其在醫學中的應用和研究進展進行了綜述。
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1合成生物學概述
1.1合成生物學興起
“Syntheticbiology”一詞最早由法國物理化學家StephaneLeduc于1911年在其所著的《生命的機理》(TheMechanismofLife)一書中首次提出，在該書中其試圖利用物理學理論解釋生物起源和進化規律，認為“構成生物體的是其形態”，并歸納為“合成生物學是對形狀和結構的合成”[4]。雖然，當時化學已經發展到合成有機化學的階段(1828年，人工合成第一個天然有機物——尿素[4])，但對生物大分子的化學本質尚未完全理解，同時受限于對生物體和生命運動規律的全面認識，“合成生物學”一詞基本為一種“形態上的模擬”，且缺乏基本的科學依據[4]。實際上，自20世紀中期才開始建立合成生物學的理論和技術基礎。1953年，詹姆斯·杜威·沃森(JamesDeweyWatson)和弗朗西斯·克里克(FrancisCrick)發現了DNA雙螺旋結構[4];1958年，克里克提出遺傳的“中心法則”，闡明了遺傳信息構成和傳遞的規律，為合成生物學提供了基本原則[1,5]。
1961年，法國科學家莫諾德(Monod)和雅各布(Jacob)提出乳糖操縱子模型，闡述了基因調控的基本規律[6]。1966年，遺傳密碼的解析完成，為基因工程的出現和合成生物學的誕生提供了理論基礎[1]。自20世紀50年代到60年代，這些科學發現使遺傳學與生物化學和細胞生物學緊密結合，開啟了生物分子結構與功能相聯系的分子生物學時代。直到1970年，由于限制性內切酶的發現(DNA特異性剪切的重要工具，同年逆轉錄酶也被發現)，以及已成功鑒定的DNA聚合酶和DNA連接酶，使體外進行DNA操作成為可能[6]。在此基礎上，1972年生物化學家PaulBerg將細菌病毒的DNA拼接到猴子病毒SV40.1中，創建了第一個重組DNA分子[7]。1973年，Cohen等[8]首次將DNA片段與質粒連接，并轉化到大腸桿菌(Escherichiacoli)，這標志著基因工程技術的誕生。
基于上述研究進展，1974年波蘭遺傳學家WaclawSzybalski闡述了合成生物學的新內涵：“一直以來，我們都在做分子生物學描述性的工作，但當我們進入合成生物學的階段，真正的挑戰才剛剛開始。我們可以設計新的調控元件，并將新的分子加入已有的基因組內，甚至建構一個全新的基因組。這將是一個擁有無限潛力的領域，我們幾乎可以不受任何限制地去做一個更好的調控回路。最終，將會有新的合成有機生命體的出現”[3-5]。1979年，美國化學家HarGobindKhorana合成了含有207個堿基對的DNA序列[9]，從此開啟了合成生物學時代。1980年，BarbaraHobom開始使用“合成生物學”這一概念來表述基因重組技術[5,10]。
進入20世紀80年代，由于分子克隆技術和聚合酶鏈式反應技術(polymerasechainreaction,PCR)的快速發展，使基因合成技術逐漸完善。與此同時，雙脫氧法DNA測序技術的誕生及測序技術的不斷進步，為人類基因組計劃(humangenomeproject,HGP)的實施提供了物質基礎[1]。二十世紀九十年代，高通量測序(第二代測序技術)的出現和信息技術的引入，使基因組測序的數據呈海量增長的態勢[5]。之后，人類基因組計劃和一系列生命“組學”計劃的啟動與完成，描繪了生物體及其生命運動的“藍圖”;同時，隨著生物信息學、計算生物學等一些新興交叉學科的發展，標志著對生命的研究進入了基因組時代，也為合成生物學的發展奠定了實質性的、全面的物質基礎[4]。
由于在基因組學研究領域的巨大成功，尤其是人類基因組計劃的完成，結合系統論、數學模型與計算方法，以“整體或系統”為概念研究的分子系統生物學快速發展[5]。2000年，EricKool重新定義“合成生物學”為：“基于系統生物學的遺傳(基因)工程，即從基因片段、人工堿基DNA分子、基因調控網絡與信號轉導途徑到細胞的人工設計與合成，類似于現代集成型建筑工程，將工程學原理與方法應用于遺傳工程與細胞工程等生物技術領域，合成生物學、計算生物學與化學生物學一同構成了系統生物學的方法基礎。”[5]隨后，研究人員合成了第一批基因調控裝置，如基因開關、感受器、傳感器和基因振蕩器等，標志著合成生物學的正式誕生[1]。2000年，Gardner等[11]設計構建了基因雙穩態回路，誘導劑通過誘導A基因表達，可抑制B基因表達，而B基因表達則反過來抑制A基因表達。
2006年，該團隊又構建了5′非翻譯區的核開關(riboswitch)作為感受器，以調控蛋白質的翻譯[12]。2008年，Stricker等[13]利用單個大腸桿菌細胞內可計時的熒光蛋白構建了一個生物鐘，其閃爍速率會隨著溫度和能量源等環境條件的改變而改變，這為構建可感知環境信息的傳感器奠定了基礎。2010年，Danino等[14]通過設計“群體感應”(quorumsensing)基因培養出“同步感應”大腸桿菌，并將其應用于有關控制同步振蕩或傳播中，構建了基因振蕩器(geneoscillator)。目前，已經可以依據需求合成功能性基因回路，還可以合成原核生物(支原體基因組[15-16])和真核生物的基因組(酵母染色體[17])。
2合成生物學的醫學應用
在醫學應用中，合成生物學主要是根據不同的疾病和致病機制，進行人工設計、構建適宜的治療性基因回路，在載體的協助下植入人體，通過糾正機體有功能缺陷的回路，以實現治療疾病的目的。在這些基因回路中，無論是基于機體內環境物質的變化，還是外源的物理、化學和生物信號，旨在通過影響其特定的生物學過程以重建生命內穩態。
3總結與展望
目前，在基礎研究方面，合成生物學已初步實現了對基因組(原核生物)和染色體(真核生物)的合成。通過對必需基因和非必需基因的篩選，可確定生命體最小基因組，以深入了解基因功能、深刻理解生命起源[150]。隨著對基因組信息解讀和基因調控功能認知的深入，從最簡單的生物元件合成，到功能性生物元件組裝，再到系統性基因網絡的整合均已取得實質性進展。在醫學研究方面，根據合成生物學原理將設計合成的基因回路制備成工程細胞，利用特定的物理、化學或生物信號誘導、啟動工程細胞發揮功能，已在癌癥、糖尿病、高血壓、神經退行性疾病和自身免疫性疾病等轉化研究中取得了一定進展。
隨著“感受器”“轉換器”“人造胰島β細胞”“人造外泌體”以及“藍牙遠程調控”等多學科研究和系統整合的不斷深入，合成生物學與基因工程、細胞工程、人工智能等多學科的交叉融合，為未來實現便捷快速的臨床智能診療一體化提供了全新的策略。相較于傳統藥物的疾病治療模式，基于合成生物學原理設計合成的生物元件、基因回路以及基因調控網絡，雖展現出明顯優勢，但仍然存在諸多應用安全性等問題。以抗生素、藥物、食品添加劑或咖啡為基因開關設計合成的生物物質裝置，因其需要口服或注射一定劑量才能“啟動”基因回路，這些生物物質會因此進入生物體新陳代謝中，其本身的安全性、后期去除以及是否影響生物體其他功能尚不清晰。
以留蘭香熏為誘導劑的基因回路，雖然是利用呼吸系統進行基因回路的誘導，也存在細胞耐受、機體過敏等問題。此外，因生物體自身敏感性和耐受性差異，使這些外源物質的攝入標準難以統一。同時，也會因生物體的代謝差異造成量的累積，這些偶然、隨機變化而引起的機體反應不可預估。溫控裝置，因目前發現、應用的溫度敏感型蛋白需在42ºC時方可激活，但此溫度會對細胞、組織造成損傷，這一弊端限制了溫控裝置的應用。與生物物質裝置和溫控裝置相比，光遺傳裝置的時空優勢以及其可控性、低毒性等特征，使利用不同波長設計合成的光遺傳裝置越來越多，如近紅光、遠紅光等，以上光波雖解決了藍光穿透性、輻射性等缺陷，但仍需考慮其他光波在生物體內的衰減性以及長時間照射下的皮膚灼傷、生物應激反應等問題。合成生物學的一個重要歷史使命是與系統生物學結合，從根本上解析生命現象及其運動規律[5]。
也正是因為對生命認知的局限性，限制了人們合理設計、構建和驗證合成元件，甚至合成生命。隨著不同生物元件、裝置、系統的構建和驗證實踐的積累，合成生物學數據迅速增加，對這些數據進行深入挖掘、精準解讀和系統整合，以形成對生命系統較全面的認知，是目前亟需解決的問題[2,151]。對原核細胞結構元件和真核細胞及其分子元件模塊的深入研究依然是未來合成生物學發展的基礎。
參考文獻
[1]郭曉強,黃衛人,蔡志明.合成生物學在醫學中的應用.科學,2015,67(3):26-29
作者：張強，顧明亮*
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