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合成生物学

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1 拼音

hé chéng shēng wù xué

2 英文参考

Synthetic Biology

3 概述

生物学(Synthetic  Biology)是通过人工设计和构建生物系统,涉及多学科和技术,包括基因工程、调节网络、生物合成、机电工程、纳米技术、计算机模拟等多学科。通过对生命运作过程的掌握,利用其他学科的技术重塑一种具有特定生理功能的生物体系,使其能处理信息制造材料、产生能源、提供食物、生产药物、增进健康、改善环境等,甚至人造生命。

[1]生物学或生物医学研究的传统任务,是揭示细胞基因、蛋白等生物基本单元与生命系统所表现出的细胞行为和生理行为之间的关系。近十几年来,分子生物学技术的进步使科研人员能够操控或重新设计不同生物组织脱氧核糖核酸DNA编码区,同时,随着计算机、互联网、搜索引擎和宽带技术的发展,合成生物学迅速兴起。

一般认为,合成生物学是分子生物学、基因组学、信息和工程技术交叉融合而产生的一系列新工具和手段。“欧盟第六框架计划”新兴科学项目组认为,合成生物学就是将工程学的系统设计模式应用到生物系统,来制造自然界尚不存在的具有新功能的强健系统。英国皇家工程院则认为,“合成生物学旨在设计和构建生物部件、装置与系统,并重新设计现有的天然生物系统”。这种观点从目标和任务角度出发,强调了合成生物学创建新生物系统和改造现有系统的双重目标。

依据自组织系统的《结构论 - 泛进化论structurity:pan-evolution theory》,从实证综合(synthetic )观探讨生物系统天然与人工进化的泛进化理论,阐述了系统的1)结构整合(integrative)、2)调适稳态与3)建构(constructive)层级等规律;因此,系统(systems)生物学也称为“整合(integrative biology)生物学”,合成(synthetic)生物学又叫“建构生物学(constructive biology)”(Zeng BJ.中译)。合成生物学(synthetic biology),也可翻译成综合生物学,即综合集成,“synthetic”在不同地方翻译成不同中文,比如综合哲学(synthetic philosophy)、“社会-心理-生物医学模式”的综合(synthetic)医学(genbrain biosystem network - 中科院曾邦哲1999年建于德国,探讨生物系统分析学“biosystem analysis”与人工生物系统“artificial biosystem”,包括实验、计算、系统、工程研究与应用),同时也被归属为人工生物系统研究的系统生物工程技术范畴,包括生物反应器与生物计算机开发。

“21世纪是系统生物科学与工程 - 也就是生物系统分析学与人工生物系统的时代,将带来未来的科技与产业革命”(曾邦哲,2008)。系统(system)、整合(integrative)、合成(synthetic)或综合生物学各有偏重点,系统(system)、结构(structure)、图式(patten)遗传学也存在偏重点,但整个属于系统生物科学与工程领域。系统科学方法与原理源自坎农的生理学稳态机理和图灵的计算机模型及图式发生的研究,又应用于生物科学与工程。计算机科学中的图形识别被翻译成“模式”,但生物学中又有将“model animal”翻译成模式动物,在认知心理学发育生物学中也有的翻译成“图式”;因此,综合翻译成“图式”(patten),而且也包括了“系统(scheme或system)”与“完形(gestalt或configuration)”等等含意。

4 合成生物学的起源和发展

合成生物学(synthetic biology),最初由Hobom B.于1980年提出来表述基因重组技术,随着分子系统生物学的发展,2000年E. Kool重新提出来定义为基于系统生物学的遗传工程,从基因片段、人工碱基DNA分子、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成,类似于现代集成型建筑工程,将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域,合成生物学、计算生物学与化学生物学一同构成系统生物技术的方法基础。

“合成生物学”更早可追踪到波兰科学家Waclaw Szybalski采用“合成生物学”术语,以及目睹分子生物学进展、限制性内切酶发现等可能导致合成生物体的预测。“系统生物学”则可追踪到贝塔朗菲的“有机生物学”及定义“有机”为“整体或系统”概念,以及阐述采用开放系统论、数学模型与计算机方法研究生物学。

[2]自从2000年Kool在美国化学学会年会上重新提出合成生物学概念以来,细胞信号传导、基因调控网络设计与转基因研究开发迅速发展,2005年在美国创建了Cellincon合成生物公司,2007年Keasling在加州大学伯克利校园创建了首个合成生物学系。早在1980年德国学者Hobom提出DNA重组技术的合成生物学概念以来,强调的是生命科学的工程应用,已经建立起了一系列DNA分子的人工合成、基因的转移技术等方法与手段。新近的合成生物学发展趋势是采用计算机与系统科学原理的遗传工裎,是系统方法学的创新,最终的目标是发明细胞机器人或生物分子计算机,活细胞制药厂或人造细胞工厂,以及农业、制药产业一体化的药物农场;合成生物学须得要系统集成(或人工强化)包括实验、计算及系统工程研究与应用;采用计算机技术、系统科学原理,整合仿生学、人工智能与遗传学、生物工程的理论与技术,系统生物学的医药与工程应用;开发人工设计生物传感器,以及转基因生物反应器对天然(或非天然)药物成分和高值蛋白质(或酶蛋白)药物的規模化生产。合成生物学改变过去的单基因转移技术,开创综合集成的基因链(或基因组)乃至整个基因蓝图设计,并实现人工生物系统的设计与制造。例如日本学者在己经完成氨基酸工业发酵重要模式菌种谷氨酸棒桿菌(C.glutamicum ATCC 13032)全基因组测序工作基础上,又从头开始了新一轮的氨基酸工业发酵菌种改造的“基因组学育种”合成生物学实验研究工作,它必将为氨基酸生产带耒革命性的改变。另一个著名的例子就是法国学者和企业界合作,耗时10年之久完成了一项巨大的合成生物学项目-重组人源化酵母工程菌发酵糖和醇产生皮质甾体激素基本药物氢化可的松,它经由人工设计操作15个不同来源的基因,其中9个基因由外源有机体提供,包括从人、动物及植物来源获取;构建成功的这一酵母工程菌能表达1个植物酶因,引入8个相关酶,敲除4个基因,使得原本仅生产麦角甾醇酿酒酵母经基因重组的工程菌,在利用糖和醇的发酵培养条件下产生出了目标药物产品氫化可的松。针对这一生命科学领域的引人注目重大研究进展,国外有人预言,合成生物学和系统生物学的藕联将会导致全球的第三次工业革命,其势头可与上世纪物理学之于电气、电子及电子通讯工程,化学之于石油化学工程一样带來的全球产业变革。

合成生物学是指人们将“基因”连接成网络,让细胞来完成设计人员设想的各种任务。例如把网络同简单的细胞相结合,可提高生物传感性,帮助检查人员确定地雷或生物武器的位置。再如向网络加入人体细胞,可以制成用于器官移植的完整器官。让·维斯是麻省理工学院计算机工程师,早在他读研究生时就迷上了生物学,并开始为细胞“编程”,现在已成为合成生物学的领军人物。维斯的导师、计算机工程师和生物学家汤姆·奈特表示,他们希望研制出一组生物组件,可以十分容易地组装成不同的“产品”。目前,研究人员正在试图控制细胞的行为,研制不同的基因线路———即特别设计的、相互影响的基因。波士顿大学生物医学工程师科林斯已研制出一种“套环开关”,所选择的细胞功能可随意开关。加州大学生物学和物理学教授埃罗维茨等人研究出另外一种线路:当某种特殊蛋白质含量发生变化时,细胞能在发光状态和非发光状态之间转换,起到有机振荡器的作用,打开了利用生物分子进行计算的大门。维斯和加州理工学院化学工程师阿诺尔一起,采用“定向进化”的方法,精细调整研制线路,将基因网络插入细胞内,有选择性地促进细胞生长。维斯目前正在研究另外一群称为“规则系统”的基因,他希望细菌能估计刺激物的距离,并根据距离的改变做出反应。该项研究可用来探测地雷位置:当它们靠近地雷时细菌发绿光;远离地雷时则发红光。维斯另一项大胆的计划是为成年干细胞编程,以促进某些干细胞分裂成骨细胞肌肉细胞或软骨细胞等,让细胞去修补受损的心脏或生产出合成膝关节。尽管该工作尚处初级阶段,但却是生物学调控领域中重要的进展。

5 合成生物学的研究内容

[3]合成生物学主要研究4个方面的内容:细胞是由蛋白质、核酸与其他分子组成的一个网络,合成生物学首先要研究的是细胞网络;二是研究基因线路;三是合成生物材料与物质;四是最小基因组与合成生物。

6 合成生物学的主要技术

合成生物学技术包括DNA的合成,来自细菌、酵母及植物等多种基因及代谢途径的组装,多基因的精密调控等。利用合成生物学技术可以合成非天然的氨基酸和碱基,如2003年,Schultz小组在大肠杆菌的蛋白质合成系统中引入新的化学成分,从而成功地合成包含非天然氨基酸的蛋白质;2006年,Benner小组通过引入新的碱基对,成功发展了人工生命遗传系统。

7 参考资料

  1. ^ [1] . "生物恐怖分子?合成生物学喜忧".
  2. ^ [2] . "小议合成生物学".
  3. ^ [3] . "合成生物学:重塑生命是核心".

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  • 评论总管
    2019/10/17 23:52:39 | #0
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本页最后修订于 2011年9月12日 星期一 16:57:42 (GMT+08:00)
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