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预警!第三次生物科技革命序幕已拉开

【字体: 时间:2019年07月04日 来源:华大科技

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  合成生物学应运而生,被视为继DNA双螺旋发现和人类基因组测序计划之后的第三次生物技术革命,在社会生产生活各个方面有着巨大潜力和应用前景。

  

DNA双螺旋结构的发现,带来了第一次生物科技革命,人们从分子层面对生命的探索更加深入;人类基因组计划的完成,标志着第二次生物科技革命,探秘基因组学有了新的工具和方法。掌握了基因解读技术的科学家不满足于仅仅解读基因,更期待编码基因,甚至创造生命,来解决各种现实问题。合成生物学应运而生,被视为继DNA双螺旋发现和人类基因组测序计划之后的第三次生物技术革命,在社会生产生活各个方面有着巨大潜力和应用前景。

纵观全球,医疗、环保、能源等问题已成为人类社会的发展瓶颈。万物之始,大道至简,衍化至繁。要解决人类制造出的未来危机,还得依靠生命本身。要生产物美价廉的药物,不妨改造细菌或病毒来实现;要处理塑料等环境污染物,就创造能降解污染物的微生物;要用清洁能源代替不可再生的石油能源,那就创造一种生物来生产可再生的能源……这不只是想象,它们正在发生。而让这一切发生的,正是合成生物学。

合成生物学正让人类从被动改造自然的境况,向主动创造未来的方向转变。

生物梦工厂

酵母、大肠杆菌是合成生物学应用案例里的主角。通过设计与合成,酵母和大肠杆菌被赋予“异能”,它们化身流水线上兢兢业业的工人,在如同小工厂般的发酵罐里,生产着人们需要的新分子。

20世纪70年代,屠呦呦团队从黄花蒿中提取出抗疟疾的青蒿素,但仅从植物中提取并不能满足几亿人的医疗需求。美国工程院院士杰·基斯林带领团队在大肠杆菌和酵母中合成出青蒿素的前体物质“青蒿酸”,100立方米的工业发酵罐的产能与5万亩的农业种植产出相当,这才使青蒿素得以造福全球民众。

2019年3月,《自然》杂志上刊登了一则由酵母合成大麻素的研究成果,以人工种植方式,6个月才能提取的大麻素,如果用改造后的酵母来生产,会极大地提升效率。不仅如此,使用化学合成方法得到的大麻素价格高达每千克 4 万美元(约合人民币 27 万元),据文章通讯作者基斯林估计,酵母菌生产的大麻素的价格仅为每千克 400 美元左右(约合人民币 2700 元)。那些需要依赖大麻素及其衍生物的患者,便可以支付低廉的费用获得治疗。比如,患有婴儿严重肌阵挛性癫痫综合征的美国女孩夏洛特,服用大麻提取物——大麻二酚后,癫痫发作的时间从 3岁时的每星期300次,减少到一年后的每个月4次,基本恢复日常生活。

除上述案例以外,合成生物学技术在医药方面的应用还包括合成能取代胰岛β细胞的人造细胞、合成能杀死肿瘤细胞的人造分子等;合成生物学在生物能源、化工等方面的应用包括生产新型生物燃料、合成基因工程细菌清理污染物、生产可降解的塑料等。

合成生物学在在医药、材料、能源等方面的无限潜力,使其未来前景为业界看好,被认为会掀起生物科技发展的新浪潮。以中国、美国、英国为首的国家开始争夺科技战略高地。

新一轮生物竞赛

在《第三次浪潮》一书中,托夫勒提出社会经济的发展将由农业经济、工业经济进入信息经济和生物经济时代。合成生物技术有望成为社会经济发展当前面临的医疗、环境、能源等问题的出路,被视为生物经济时代的重要经济增长点,2014年,世界经济合作与发展组织(OECD)发布《合成生物学领域的新兴政策问题》(Emerging Policy Issues in Synthetic Biology)报告,提及合成生物学的发展前景广阔,多个国家纷纷开始布局。

美国在合成生物学方面投入了近10亿美元,建立了多个相关研究中心。美国国防高级研究计划局(DARPA)启动的“生命铸造厂”计划以及“生命铸造厂-千分子”计划,便是利用合成生物学技术实现材料的标准化设计和制造。美军也将生命铸造厂确定为未来三大颠覆性生物技术之一。

英国将合成生物学列为支撑其未来经济增长的四大新兴技术产业之一,并率先制定了合成生物学超过20年发展路线图,资助成立了6个合成生物学研究中心,旨在增强英国在这一领域的研究和工业化能力。英国、德国、荷兰、瑞士等国政府在合成生物学领域的资助总额累计已超过5亿美元,推动了合成生物学在医药、工业和环境方面的应用。在工业界,盖茨基金会及巴斯夫、杜邦、壳牌、BP等跨国企业也纷纷资助合成生物学研究。

自2010年起,我国在合成生物学方面进行了一系列的布局和投资,正在从工业领域出发,向农业、医药、健康和环境领域不断深入发展。早在“十二五”期间,科技部设立了一系列973、863重大项目,为我国合成生物学发展奠定了学科和技术基础;国务院将合成生物学研究基础设施列入国家重大科技基础设施建设中长期(2012-2030)发展规划。2014年,我国公开介绍了中国合成生物学路线图。

科研无国界,在全球化的大背景下,跨国合作成为许多科学家的选择。除了大型国际科研合作之外,中国也吸引了国际顶级科学家的青睐。比如,2017年,实现青蒿素产业化的团队领导者、美国工程院院士杰·基斯林与中国科学院深圳先进技术研究院合作成立杰·基斯林实验室,重点进行中药资源的合成生物学创新性研究。同年,国际合成生物学研究的领军人物,基因编辑与合成领域的泰斗,美国科学院及美国工程学院院士George Church教授与深圳华大生命科学研究院共同成立乔治•丘奇合成生物学研究所,结合双方资源优势,聚焦高密度DNA存储技术开发、天然产物的生物制造以及基因编辑医学应用三大前沿领域研究。

华大“写”平台

华大在合成生物学方面的布局较早。2011年,在第六届国际基因组学大会(ICG-6)上,华大与美国约翰·霍普金斯大学签署《人工合成酵母基因组研究与教育合作协议》,宣布双方将联合开展人工合成酵母基因组研究。2017年,国际酵母基因组合成SC2。0计划取得重大进展,华大主导完成了酿酒酵母2号染色体的从头设计与全合成工作,证明含有该染色体的人工酵母菌株展现出了与野生酵母菌高度相似,相关成果在国际顶尖权威杂志《科学》以封面、专刊形式发表。对此,杨焕明院士表示,从人类基因组计划1%任务到酿酒酵母染色体合成,我们已由“跟跑”转为“并跑”,“今后‘领跑’也不是不可能。”

华大目前建设了国际领先的合成生物学“写”平台,在DNA合成技术、基因组合成、天然产物合成、噬菌体治疗、地中海贫血的基因编辑疗法、DNA存储等领域都进行了重要布局;其建设的自动化DNA合成平台能够承担超过1亿碱基/年的基因组片段DNA的合成,同时具备支撑不同大基因组设计与合成的能力。

华大以“基因科技”造福人类为己任,通过建设从“读”(测序)”到“写(合成)”的领先研究平台,为人类理解生命及重塑生命而努力。

与所有新兴事物一样,合成生物学也常常被误解,神话它或恐惧它,都不是科学的态度。如果将合成生物的研究比作搭建积木的游戏,那么在规则的约束下,搭建起来的不会是对准人类或自然的武器。我们要相信“戴着镣铐跳舞”的科学家的责任心,也要相信科学的自我校准能力。

参考资料:

1.https://tech.sina.com.cn/d/2017-11-27/doc-ifypapmz5392299.shtml

2.https://new.qq.com/omn/20190401/20190401a0f2sf00

3.http://m.cas.cn/cmsm1/201903/t20190321_4686075.html

4.http://www.sohu.com/a/206335231_468720

5.http://scitech.people.com.cn/n1/2017/0310/c1007-29135176.html

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