中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 合成生物學(xué)是一門利用工程學(xué)原理改造和創(chuàng)造生命的學(xué)科，目前已經(jīng)在生物能源、新材料、環(huán)境污染治理、腫瘤治療等方面展現(xiàn)出了巨大的潛力，能夠在國家科技發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級過程中發(fā)揮重大作用，助力“中國制造?2025”。與傳統(tǒng)生物工程相比，合成生物學(xué)最大的進(jìn)步在于對工程設(shè)計原理的系統(tǒng)性應(yīng)用：依據(jù)工程設(shè)計原理對天然存在的各種酶、調(diào)控分子等進(jìn)行簡單化、模塊化處理，設(shè)計出具有各種基本功能的元件。人工基因線路是利用此類元件，根據(jù)類似于電子工程電路編程的思想設(shè)計的，對生命的運(yùn)行過程進(jìn)行的重新編程。這種對生命的重編程能夠針對多樣的需求對天然的各種功能進(jìn)行優(yōu)化，甚至引入自然界中不存在的人造法則，實(shí)現(xiàn)豐富的、可設(shè)計的生物學(xué)功能，為人類健康和社會發(fā)展服務(wù)。

人工基因線路的起源和研究進(jìn)展

自然界中存在大量的天然基因線路，是生命體用于收集和處理各種體內(nèi)生化信號和體外環(huán)境變化的動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)，其與物質(zhì)代謝、能量供給共同構(gòu)成了生命過程的?3?個基本要素。所有生物體均由物質(zhì)構(gòu)成，由能量驅(qū)動，并由基因線路控制物質(zhì)的代謝和能量的流動，以實(shí)現(xiàn)多樣的生理活動，如細(xì)胞分裂、個體形態(tài)發(fā)育等。同時，生物體對外界環(huán)境變化的適應(yīng)和抗逆反應(yīng)也依賴于基因線路。例如：人體細(xì)胞在血糖濃度升高時對胰島素的分泌；組織受損時啟動組織再生；大量失血時促進(jìn)造血干細(xì)胞分化等。與天然基因線路不同，人工基因線路存在的目的是根據(jù)人工生命體的設(shè)計目標(biāo)，進(jìn)行有針對性的控制，實(shí)現(xiàn)特定的控制邏輯，發(fā)揮類似于計算機(jī)控制芯片的功能。因此，人工基因線路是對生命進(jìn)行可編程控制的具體體現(xiàn)，是合成生物學(xué)的標(biāo)志性技術(shù)。

對生命的編程如同電路編程一樣，需要使用大量工程化的元器件，如計數(shù)器、脈沖信號產(chǎn)生器、邏輯信號門、信號過濾器等，以實(shí)現(xiàn)從低級到高級，由簡單到復(fù)雜的控制。為了構(gòu)建出此類元器件，需要在傳統(tǒng)生物學(xué)多年來對生命調(diào)控法則的認(rèn)識基礎(chǔ)上，按照工程化設(shè)計原理對生命系統(tǒng)進(jìn)行簡單化處理，再進(jìn)一步按照不同的方式進(jìn)行組合而成。盡管人工基因線路與電子線路都是信號采集和處理的信息運(yùn)算系統(tǒng)，兩者在很多方面又是截然不同的。基因線路的工作環(huán)境是動態(tài)生長的活體細(xì)胞，是大量各種分子的混合物，而電子線路的工作環(huán)境是固體金屬和半導(dǎo)體材料，各個元件之間很容易實(shí)現(xiàn)絕緣。這些差異決定了針對基因線路的設(shè)計與組裝必須要探索新途徑，而不是簡單地照搬照抄電子線路的成功方案。

在過去?20?年間，合成生物學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一批奠基性的工作，在人工基因線路設(shè)計、調(diào)控元件以及組裝方法等方面實(shí)現(xiàn)了“從?0?到?1”的躍進(jìn)。相應(yīng)地，人工基因線路也經(jīng)歷了從基本型到組合型的升級，已經(jīng)開始具備對高級的生命過程進(jìn)行模擬和探索的能力。

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