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合成生物学:重塑生命是核心
点击次数:472 发布时间:2012/9/20
合成生物学的核心,是在分子水平上对生命系统进行调控,以满足农业、工业、医学发展的需求。
合成生物学就是通过设计和构建自然界中不存在的人工生物系统,来解决能源、材料、健康和环保等 问题。它是人类基因组计划实施以来,基因组学、生物信息学和系统生物学等学科发展的一个合乎逻辑的结果。它包括两个方面:一是设计和构建新的生物零件、组件和系统;二是对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造。从生命*基本的要素开始,一步步构建人工生命系统是合成生物学的核心。
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*小基因组与合成生物。
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。
有关抗疟药物微生物工业化合成的研究工作是合成生物学研究的典范之作。华泰立介绍说,虽然已有的生物技术足以将有关代谢途径嫁接到大肠杆菌上,但要达到实用的经济效益,其产量必须有7个数量级的提高。经过多年努力,这项科学难题终于在Keasling教授的实验室被攻克。在研究过程中,Keasling领导的小组对有关代谢途径作了重新设计,解决了天然或非天然代谢物大量积累对寄主的毒性问题,并对改造后的微生物用变异进化法进行优化筛选,*终将合成的成本降低了10倍。为表彰Keasling的杰出成就,美国Gates基金会资助他4260万美元继续抗疟研究,英国石油公司和美国能源部分别拨给Keasling所在的UC Berkeley和Lawrence Berkeley国家实验室5亿美元和37500万美元从事生物能源研究。
利用合成生物学技术还可以合成能源物质——氢和石油。PLoS ONE 2007 年发表了美国Virginia Tech生物系统工程系教授Y-P Zhang等人的论文。他们利用合成生物学原理,用13个已知的酶来完成一个重要反应,这13个酶形成了一条非天然酶催化途径。随着技术发展及与燃料电池的集成,该技术有望解决与氢气的储存、销售有关的难题,因而在汽车中的应用具有巨大潜力。美国LS9可再生石油公司的研究人员正利用来自多种生物(包括细菌、植物、动物等)的基因及用来生产脂肪酸的生化途径,用合成生物学方法创造出一些代谢模块,插入微生物后,通过不同的组合,这些模块可以诱导微生物生产原油、柴油、汽油或基于烃的化学品。