在此基礎(chǔ)上，2014?年，美國科學(xué)院提出“會聚”研究為生命科學(xué)第三次革命，以使能技術(shù)的工程化平臺建設(shè)與生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的開源應(yīng)用相結(jié)合帶來的“工程生物學(xué)”（Engineering Biology），正在全面推動生物技術(shù)、生物產(chǎn)業(yè)和生物醫(yī)藥“民主化”發(fā)展的新階段，也可以說，是在實現(xiàn)人類“能力提升”的宏偉目標(biāo)上邁出了堅實的一步。

本期《中國科學(xué)院院刊》專刊“合成生物學(xué)：回顧與展望”所刊載的各篇綜述，簡要介紹了近?20?年來合成生物學(xué)在元件工程、線路工程、代謝工程、基因組與細(xì)胞工程等方面的進(jìn)展，特別是相關(guān)使能技術(shù)的重要突破；進(jìn)而專門描述了承載工程化研究與技術(shù)服務(wù)的實驗室與中心（設(shè)施）的建設(shè)情況。最后，闡述了合成生物學(xué)在醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域應(yīng)用的重要進(jìn)展以及保障合成生物學(xué)科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策與管理。

元件工程

合成生物學(xué)按照工程學(xué)的理念，將生命體系中發(fā)揮功能的最簡單、最基本的單元，統(tǒng)稱為生物元件（biological part），鑒于其生物大分子本質(zhì)，氨基酸序列（蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)）或者核苷酸序列（核酸的一級結(jié)構(gòu)）以及在序列上相關(guān)的修飾應(yīng)該是生物元件最基本的構(gòu)成。當(dāng)今“合成生物學(xué)”概念的提出，就是基于生物“元件”構(gòu)建人工邏輯“線路”的創(chuàng)新工作。在此基礎(chǔ)上，形成了合成生物學(xué)中“生物元件”的定義——“遺傳系統(tǒng)中最簡單、最基本的生物積塊（BioBrick），是具有特定功能的氨基酸或者核苷酸序列，可以在更大規(guī)模的設(shè)計中與其他元件進(jìn)一步組合成具有特定生物學(xué)功能的生物學(xué)裝置（Device）”。隨著合成生物學(xué)研究領(lǐng)域的拓展，生物元件的內(nèi)涵已經(jīng)不再能局限于原先的“遺傳系統(tǒng)”，也不僅僅服務(wù)于利用“模式系統(tǒng)”以構(gòu)建線路工程。“生物元件”中非核酸部分（特別是非?DNA?部分，大部分就是蛋白質(zhì)多肽）在一般的生物學(xué)體系中，特別是在細(xì)胞體系中，基本都是由“基因”即?DNA?序列所編碼的。因此，“生物元件”中核酸序列的很大部分，就是編碼蛋白質(zhì)（其中既有發(fā)揮調(diào)控功能的蛋白因子，又有發(fā)揮結(jié)構(gòu)功能的結(jié)構(gòu)蛋白，還有大量具有催化功能的酶）的基因。

目前，生物元件主要來源于自然界，基于生物全基因組或轉(zhuǎn)錄組測序和信息挖掘的生物元件的篩選與鑒定是其研究主流。通過對基因組中的功能蛋白、轉(zhuǎn)錄和翻譯特征序列分析，可以得到豐富的啟動子、核糖體結(jié)合位點、蛋白質(zhì)編碼序列以及終止子等生物元件資源。在“調(diào)控元件”預(yù)測方面，已經(jīng)有?FPROM、TSSG、SCOPE?等軟件；在“功能元件”預(yù)測方面，也有?Pfam?等用于比對蛋白質(zhì)家族和結(jié)構(gòu)域的數(shù)據(jù)庫。然而，從?DNA?序列到其編碼元件的功能解讀和利用還存在巨大鴻溝，生物合成功能元件的鑒定往往非常困難且效率低。以紫杉醇在紅豆杉中合成步驟及相關(guān)“生物元件”的挖掘為例，從?1997?年揭示紫杉醇生物合成的第一步反應(yīng)，到現(xiàn)在已經(jīng)對后續(xù)步驟中涉及的?8?個細(xì)胞色素?P450?單加氧酶、5?個酰基/芳香基轉(zhuǎn)移酶以及?1?個氨基酸變位酶進(jìn)行了解析，但仍有?5?個基因功能有待研究。這種關(guān)鍵生物元件的缺失直接導(dǎo)致了紫杉醇的合成生物學(xué)制造尚未實現(xiàn)。

為實現(xiàn)對目標(biāo)生物器件或生物系統(tǒng)的預(yù)測、設(shè)計、構(gòu)建與優(yōu)化，有必要對現(xiàn)有生物元件的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行改造。由美國科學(xué)家建立的蛋白質(zhì)的定向進(jìn)化技術(shù)（獲得?2018?年諾貝爾化學(xué)獎）目前仍然是生物元件改造的主要策略。構(gòu)建各種不同強(qiáng)度的啟動子文庫也是實現(xiàn)基因精確調(diào)控的有力工具，典型例子是在工程化的產(chǎn)番茄紅素菌株的優(yōu)化過程中，對釀酒酵母的?TEF1?啟動子改造，建立突變啟動子庫，得到一系列強(qiáng)度不同的突變啟動子，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究其中?11?個啟動子特性，發(fā)現(xiàn)這些突變啟動子活性是野生型的?8%—120%。此外，通過改造大腸桿菌核糖體，可以利用大腸桿菌深入研究核糖體的機(jī)制，研究抗生素和核糖體的相互作用；如果進(jìn)一步擴(kuò)展細(xì)胞的遺傳編碼方式，可以用這些工程改造的核糖體來合成新的多聚物，還可能將細(xì)胞轉(zhuǎn)化成多用途的“細(xì)胞工廠”。

當(dāng)然，更為吸引人及更具有挑戰(zhàn)意義的是設(shè)計合成自然界不存在的元件，例如，劍橋大學(xué)利用人造遺傳物質(zhì)合成出世界上第一個人工酶。隨著高性能計算技術(shù)、量子力學(xué)和分子動力學(xué)理論及方法學(xué)的發(fā)展，計算蛋白質(zhì)設(shè)計技術(shù)在核心元件酶催化設(shè)計方面發(fā)揮出巨大作用，使酶工程迎來發(fā)展新階段。例如，利用計算迭代方法從非活性蛋白質(zhì)支架?HG-1?為起始點計算，獲得的?8?種設(shè)計酶均表現(xiàn)出顯著的催化活性，大幅提高了計算設(shè)計酶分子的成功率。最近，中國科學(xué)研究人員利用密碼子擴(kuò)展方法，改造一個?28?kD?的熒光蛋白，成功模擬了天然光合作用系統(tǒng)的光能吸收，并將二氧化碳還原形成一氧化碳，為利用人工光合作用途徑、最終實現(xiàn)建立的能源獲取方式跨出了關(guān)鍵一步。

合成生物學(xué)“自下而上”的正向工程本質(zhì)決定了建立元件庫的必然性和至關(guān)重要性。在應(yīng)用實踐中，合成生物學(xué)的定量預(yù)測、精準(zhǔn)化設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化合成與精確調(diào)控技術(shù)能力的提升，依賴于合成生物學(xué)工程化平臺和標(biāo)準(zhǔn)元件庫的支撐，以此推動實現(xiàn)利用合成生物學(xué)手段規(guī)模化高效率地解決生物工程問題，回應(yīng)社會需求。2012?年建立的?BioBricks??元件庫，第一次從法律層面允許個人、公司及科研院校制作標(biāo)準(zhǔn)化生物元件，并在相關(guān)的協(xié)議架構(gòu)下進(jìn)行免費共享。當(dāng)然，在這個方向上，還有很長的路要走。

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