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合成生物学将带来技术推动的新一轮经济增长

供稿人:姚恒美  供稿时间:2015-12-10   关键字:合成生物学  各国战略  产业化应用  
何谓合成生物学

合成生物学(synthetic biology)是后基因组时代生命科学研究的新兴领域,它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。早在本世纪初,它就已经成为现代生命科学的研究热点,麻省理工的《技术评论》认为“合成生物学”将成为改变世界的十大技术之一。针对人类正在面临的日趋严重的资源、能源和环境等重大问题,合成生物学家们希望设计并构建人工合成的生物系统,最终用于工业制造、粮食生产,并提高全球健康水平。

2010年5月20日,美国生物学家克雷格・文特尔及其同事在《科学》杂志上宣布世界首例“人造生命”——完全由人造基因控制的单细胞细菌诞生。这项具有划时代意义的实验表明:新的生命体是可以被“创造”出来的,从而开启了合成生物学的新纪元。

合成生物学展现出诱人的发展前景

20世纪,人类经历了化学合成工业的迅猛发展,随之而来的是生态、环境和资源等一系列问题;为了与自然界共存共荣,实现人与自然的和谐发展,21世纪科学家正努力实现向生物学“合成时代”的跨越。

通过发展合成生物学的理论与方法,人们可以采用工程模块化设计,改造和优化现有自然生物体系,从头创建可控合成、具有功能的人工生物体系,为人类面临的资源、能源和环保等重大问题提供新的解决方案,从根本上变革人类的生产和生活方式,逐渐减少对石油能源的依赖,同时以纤维素、非粮淀粉、非粮脂肪酸等农业生物质为原料,生产能源、材料、化工产品等。

随着基因组的解析和许多代谢通路的阐明,合成生物学家已经可以在活细胞里设计优化许多重要的化学反应。例如:可以在微生物中高效生产青蒿素、紫杉醇等重要药物的前体、丁醇等生物燃料和可降解高分子材料等。由于生物体具有自养、自组装、自修复、可降解等特性,合成生物学可以显著提高合成效率、降低成本和污染。另外,合成生物学家可以利用生物快速进化的能力,以及生物酶的高催化活性、特异性,迅速地在活细胞中设计和优化化学反应。

主要国家合成生物学支持战略

许多国家纷纷看好合成生物学的发展前景,纷纷投入雄厚的资金和人力储备,进行一系列研发活动。

英国政府把合成生物学视为非常有商业前景的革命性平台,并成立合成生物学领导委员会,促进各领域的讨论与公私合作,由部长和资深业界人士担任联合主席。英国皇家工程院在《合成生物学:范围、应用和意义》报告中表示:合成生物学有可能创造另一系列新的大型产业,其发展对于英国、欧洲和世界经济的发展产生深远的意义。英国已投资5000万英镑用于合成生物学,其中650万英镑用于鼓励产业投资;工程与自然科学研究理事会投资600万英镑,鼓励大学探索新产品商业化;生物技术与生物科学研究理事会支持16个机构,从事5个跨国研究项目。

美国历来是合成生物学领跑者,政府每年向该领域研究投入约1.4亿美元。近年,国家科学基金会投入1600万美元资助合成生物学工程研究中心。国防部将合成生物学提升为一种制造平台,能源部也围绕合成生物学启动了一系列行动。

我国也认为合成生物学将带来技术推动的新一轮经济增长,并努力成为该领域的国际领先者。现已制订了合成生物学战略路线图,规划了技术、工业应用、医学和农业等方面的中长期目标。目前,我国每年对合成生物学的研发投资达到2.6亿元,发表合成生物学论文400余篇,约占世界总量的10%,论文被引次数居全球第7。

合成生物学研究与产业化进展

在能源领域,科学家们正在利用生物技术与合成生物学工具解决生物燃油生产工艺过程中的一些问题,包括开发出人工合成细菌;在医疗和制药领域,科学家们正在尝试用合成生物学手段开发新的细菌,来生产胰岛素或其他药物。还有一些科学家在尝试制造可专门杀死癌细胞的微生物等。

近年,合成生物学领域不断有新成果出现。譬如,2012,年美国能源部联合生物研究所的研究人员宣布,在计算机辅助设计RNA分子工程系统方面取得进展,这将有助于研发新的大肠杆菌菌株,将糖分转化为三种运输燃料:汽油、柴油和喷气燃料;2013年,中科院大连化物所研究员赵宗保带领的团队,采用合成生物学策略,创制微生物“细胞工厂”,为植物源萜类化合物制备降低成本,并可提供持续供给。

目前合成生物学的产业化应用也已经在国外初见端倪。美国两家企业已开始使用人工细菌生产生物燃料,而制药公司赛诺菲-安万特公司已经获准使用合成生物学改造的啤酒酵母生产青蒿素。

 


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