合成生物學將帶來顛覆性變革：「人造生命」開始從實驗室走向產業化

06-13

▲葉海峰實驗室嘗試用手機APP控制植入小鼠體內的人工細胞分泌胰島素

人工設計的細胞將可在體內定時為患者輸送藥物；通過基因設計可以控制家蠶、蚊子等昆蟲的性別；基因編輯可以使育種速度成倍提升……你可知，這些都是合成生物學帶來的神奇改變。

作為第三次生物技術革命，合成生物學將給人類社會生活帶來顛覆性的變化。前兩次生物技術革命分別是繼DNA雙螺旋發現所催生的分子生物學，以及「人類基因組計劃」所催生的基因組學。記者從今天（2日）在滬閉幕的「第三屆合成生物學青年學者論壇」上獲悉，幾年前還如同天方夜譚的「人造生命」，已開始從實驗室走向產業化。

對基因認識不斷深入

今年3月，美國《科學》雜誌以特刊形式，發表了「人工合成酵母基因組計劃」的里程碑式階段性成果——繼2014年美國科學家人工合成真核生物酵母3號染色體後，新的五條酵母人工染色體也被成功合成，來自中國的三個研究團隊完成了其中四條的合成任務。

帶領實驗室完成了其中最長的那條染色體合成的清華大學生命科學院戴俊彪研究員，在報告後接受記者採訪時表示，這一成果顯示科學家合成基因的能力達到了一個新的高度，同時也使人類對基因的了解進一步深入。「在合成染色體的過程中，我們發現DNA上還有大量的『暗物質』是我們所不了解的，而它們和基因的啟動、功能增強和削弱，以及DNA的空間摺疊等息息相關。」他說，這些無知都限制了我們對基因組的設計能力。然而，不動手合成，就不會對基因組有更深入的了解——從合成基因組，到加深了解，再到提升合成設計能力，一個螺旋形上升的良性循環正在形成。

去年被英國《自然》雜誌評為年度十大科學人物之一的中科院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究員，也來到這次論壇上。她將基因編輯技術CRISPR-Cas9用在植物上，實現了在不遺留外源DNA的情況下，對植物基因進行精確編輯。她認為，作為合成生物學的手段之一，基因編輯為人類了解更多基因的功能、更複雜龐大的基因組提供了很好的技術手段。她的課題組正著手研究小麥基因組——它比水稻基因組的數據量大了很多，結構更複雜，以前因為難度太高而不敢涉獵，現在「研究小麥的春天到了」。

「細胞藥廠」呼之欲出

千萬別以為合成生物學還只是實驗室里擺酷的研究，它其實已經在向實際應用的產業化道路上邁進。

就在兩個多月前，華東師範大學的葉海峰研究員在美國《科學-轉化醫學》雜誌上發布了最新成果：他巧妙地將合成生物學與電子工程學相結合，開發出了一種集糖尿病診斷和治療為一體的智能診療新系統。

「我們利用合成生物學的方法設計合成了遠紅光響應的人工定製化細胞，再將這些光控定製化細胞連同一個微小的遠紅光LED光源移植到糖尿病小鼠體內。」葉海峰說，只要通過手機APP控制，就能讓體內LED發光，植入的特殊細胞被光一照，就會分泌出胰島素——這就好像將一個「細胞藥廠」送進了人體，在任何需要的時候精確產生藥物。目前，他們正在大動物身上進行實驗，希望能儘早進入臨床——如果這條路徑走通，那麼人類給葯的方式，可能迎來顛覆性的改變。

理論上，由合成生物學帶來的「細胞藥廠」有可能產生任何藥物，但在實際應用中，還有很多問題需要攻克。比如，遠程操控體內用藥如何達到全自動化、數字化精準？「細胞藥廠」可否長期有效？葉海峰的課題組正在不斷完善這項技術。他相信，合成生物學與人工智慧的結合，將會打開人類對於未來的無窮想像空間。

其實，比起「細胞藥廠」，已經有更多合成生物學技術邁向產業化。論壇主席、中科院上海植物生理與生態研究所王勇研究員介紹，僅在植生所，就已有好幾個項目在孵化中。用酵母細胞產生高純度的藥用人蔘皂苷，就是其中之一。此外，利用合成生物學方法控制家蠶性別，幫助蠶農獲得更多產絲量高的雄蠶，也是推進的項目之一。與此類似，控制蚊子性別的合成生物學技術則在我國南方，以及一些南美洲國家推廣。

產業化機遇不可錯失

合成生物學是難得的幾個國內起步較早的領域，只比美國晚了三五年。而且，目前從基礎研究來看，中國的實力僅次於美國。站在從基礎研究向產業化邁進的關口，中國科學家們不禁再次呼籲：希望在鼓勵「雙創」的大環境下，湧現出更多的高科技中小企業，承接實驗室成果，迅速推向產業化。

王勇說，在美國，近幾年冒出了數以百計、千計的合成生物學高技術小企業，把技術不斷向實際應用推進。英國也已經有了自己的合成生物學發展路線圖，已經形成從基礎研究、應用研究，到產業化的體系。「相信在十年之內，在這個領域將發展起一個極有潛力的新興產業。」

他認為，上海在發展合成生物學產業化上，有著得天獨厚的優勢。上海是國內最早發展合成生物學的地區之一，早在上世紀60年代就誕生了舉世矚目的「人工合成結晶牛胰島素」。2015年，由中科院合成生物學重點實驗室及上海交通大學發起，整合國內主要優勢力量，建立了上海合成生物學創新戰略聯盟。「十二五」期間，上海率先建立起了合成生物學基礎、應用研究的平台，形成了雄厚的科研實力，在全國乃至世界上佔據了一席之地。「上海建設具有全球影響力的科創中心，或許這將成為亮點之一。」

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