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合成生物學

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1 拼音

hé chéng shēng wù xué

2 英文參考

Synthetic Biology

3 概述

生物學(Synthetic  Biology)是通過人工設計和構建生物系統,涉及多學科和技術,包括基因工程、調節網絡、生物合成、機電工程、納米技術、計算機模擬等多學科。通過對生命運作過程的掌握,利用其他學科的技術重塑一種具有特定生理功能的生物體系,使其能處理信息制造材料、產生能源、提供食物、生產藥物、增進健康、改善環境等,甚至人造生命。

[1]生物學或生物醫學研究的傳統任務,是揭示細胞基因、蛋白等生物基本單元與生命系統所表現出的細胞行為和生理行為之間的關系。近十幾年來,分子生物學技術的進步使科研人員能夠操控或重新設計不同生物組織脫氧核糖核酸DNA編碼區,同時,隨著計算機、互聯網、搜索引擎和寬帶技術的發展,合成生物學迅速興起。

一般認為,合成生物學是分子生物學、基因組學、信息和工程技術交叉融合而產生的一系列新工具和手段。“歐盟第六框架計劃”新興科學項目組認為,合成生物學就是將工程學的系統設計模式應用到生物系統,來制造自然界尚不存在的具有新功能的強健系統。英國皇家工程院則認為,“合成生物學旨在設計和構建生物部件、裝置與系統,并重新設計現有的天然生物系統”。這種觀點從目標和任務角度出發,強調了合成生物學創建新生物系統和改造現有系統的雙重目標。

依據自組織系統的《結構論 - 泛進化論structurity:pan-evolution theory》,從實證綜合(synthetic )觀探討生物系統天然與人工進化的泛進化理論,闡述了系統的1)結構整合(integrative)、2)調適穩態與3)建構(constructive)層級等規律;因此,系統(systems)生物學也稱為“整合(integrative biology)生物學”,合成(synthetic)生物學又叫“建構生物學(constructive biology)”(Zeng BJ.中譯)。合成生物學(synthetic biology),也可翻譯成綜合生物學,即綜合集成,“synthetic”在不同地方翻譯成不同中文,比如綜合哲學(synthetic philosophy)、“社會-心理-生物醫學模式”的綜合(synthetic)醫學(genbrain biosystem network - 中科院曾邦哲1999年建于德國,探討生物系統分析學“biosystem analysis”與人工生物系統“artificial biosystem”,包括實驗、計算、系統、工程研究與應用),同時也被歸屬為人工生物系統研究的系統生物工程技術范疇,包括生物反應器與生物計算機開發。

“21世紀是系統生物科學與工程 - 也就是生物系統分析學與人工生物系統的時代,將帶來未來的科技與產業革命”(曾邦哲,2008)。系統(system)、整合(integrative)、合成(synthetic)或綜合生物學各有偏重點,系統(system)、結構(structure)、圖式(patten)遺傳學也存在偏重點,但整個屬于系統生物科學與工程領域。系統科學方法與原理源自坎農的生理學穩態機理和圖靈的計算機模型及圖式發生的研究,又應用于生物科學與工程。計算機科學中的圖形識別被翻譯成“模式”,但生物學中又有將“model animal”翻譯成模式動物,在認知心理學發育生物學中也有的翻譯成“圖式”;因此,綜合翻譯成“圖式”(patten),而且也包括了“系統(scheme或system)”與“完形(gestalt或configuration)”等等含意。

4 合成生物學的起源和發展

合成生物學(synthetic biology),最初由Hobom B.于1980年提出來表述基因重組技術,隨著分子系統生物學的發展,2000年E. Kool重新提出來定義為基于系統生物學的遺傳工程,從基因片段、人工堿基DNA分子、基因調控網絡與信號傳導路徑到細胞的人工設計與合成,類似于現代集成型建筑工程,將工程學原理與方法應用于遺傳工程與細胞工程等生物技術領域,合成生物學、計算生物學與化學生物學一同構成系統生物技術的方法基礎。

“合成生物學”更早可追蹤到波蘭科學家Waclaw Szybalski采用“合成生物學”術語,以及目睹分子生物學進展、限制性內切酶發現等可能導致合成生物體的預測。“系統生物學”則可追蹤到貝塔朗菲的“有機生物學”及定義“有機”為“整體或系統”概念,以及闡述采用開放系統論、數學模型與計算機方法研究生物學。

[2]自從2000年Kool在美國化學學會年會上重新提出合成生物學概念以來,細胞信號傳導、基因調控網絡設計與轉基因研究開發迅速發展,2005年在美國創建了Cellincon合成生物公司,2007年Keasling在加州大學伯克利校園創建了首個合成生物學系。早在1980年德國學者Hobom提出DNA重組技術的合成生物學概念以來,強調的是生命科學的工程應用,已經建立起了一系列DNA分子的人工合成、基因的轉移技術等方法與手段。新近的合成生物學發展趨勢是采用計算機與系統科學原理的遺傳工裎,是系統方法學的創新,最終的目標是發明細胞機器人或生物分子計算機,活細胞制藥廠或人造細胞工廠,以及農業、制藥產業一體化的藥物農場;合成生物學須得要系統集成(或人工強化)包括實驗、計算及系統工程研究與應用;采用計算機技術、系統科學原理,整合仿生學、人工智能與遺傳學、生物工程的理論與技術,系統生物學的醫藥與工程應用;開發人工設計生物傳感器,以及轉基因生物反應器對天然(或非天然)藥物成分和高值蛋白質(或酶蛋白)藥物的規模化生產。合成生物學改變過去的單基因轉移技術,開創綜合集成的基因鏈(或基因組)乃至整個基因藍圖設計,并實現人工生物系統的設計與制造。例如日本學者在己經完成氨基酸工業發酵重要模式菌種谷氨酸棒桿菌(C.glutamicum ATCC 13032)全基因組測序工作基礎上,又從頭開始了新一輪的氨基酸工業發酵菌種改造的“基因組學育種”合成生物學實驗研究工作,它必將為氨基酸生產帶耒革命性的改變。另一個著名的例子就是法國學者和企業界合作,耗時10年之久完成了一項巨大的合成生物學項目-重組人源化酵母工程菌發酵糖和醇產生皮質甾體激素基本藥物氫化可的松,它經由人工設計操作15個不同來源的基因,其中9個基因由外源有機體提供,包括從人、動物及植物來源獲取;構建成功的這一酵母工程菌能表達1個植物酶因,引入8個相關酶,敲除4個基因,使得原本僅生產麥角甾醇釀酒酵母經基因重組的工程菌,在利用糖和醇的發酵培養條件下產生出了目標藥物產品氫化可的松。針對這一生命科學領域的引人注目重大研究進展,國外有人預言,合成生物學和系統生物學的藕聯將會導致全球的第三次工業革命,其勢頭可與上世紀物理學之于電氣、電子及電子通訊工程,化學之于石油化學工程一樣帶來的全球產業變革。

合成生物學是指人們將“基因”連接成網絡,讓細胞來完成設計人員設想的各種任務。例如把網絡同簡單的細胞相結合,可提高生物傳感性,幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。再如向網絡加入人體細胞,可以制成用于器官移植的完整器官。讓·維斯是麻省理工學院計算機工程師,早在他讀研究生時就迷上了生物學,并開始為細胞“編程”,現在已成為合成生物學的領軍人物。維斯的導師、計算機工程師和生物學家湯姆·奈特表示,他們希望研制出一組生物組件,可以十分容易地組裝成不同的“產品”。目前,研究人員正在試圖控制細胞的行為,研制不同的基因線路———即特別設計的、相互影響的基因。波士頓大學生物醫學工程師科林斯已研制出一種“套環開關”,所選擇的細胞功能可隨意開關。加州大學生物學和物理學教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路:當某種特殊蛋白質含量發生變化時,細胞能在發光狀態和非發光狀態之間轉換,起到有機振蕩器的作用,打開了利用生物分子進行計算的大門。維斯和加州理工學院化學工程師阿諾爾一起,采用“定向進化”的方法,精細調整研制線路,將基因網絡插入細胞內,有選擇性地促進細胞生長。維斯目前正在研究另外一群稱為“規則系統”的基因,他希望細菌能估計刺激物的距離,并根據距離的改變做出反應。該項研究可用來探測地雷位置:當它們靠近地雷時細菌發綠光;遠離地雷時則發紅光。維斯另一項大膽的計劃是為成年干細胞編程,以促進某些干細胞分裂成骨細胞肌肉細胞或軟骨細胞等,讓細胞去修補受損的心臟或生產出合成膝關節。盡管該工作尚處初級階段,但卻是生物學調控領域中重要的進展。

5 合成生物學的研究內容

[3]合成生物學主要研究4個方面的內容:細胞是由蛋白質、核酸與其他分子組成的一個網絡,合成生物學首先要研究的是細胞網絡;二是研究基因線路;三是合成生物材料與物質;四是最小基因組與合成生物。

6 合成生物學的主要技術

合成生物學技術包括DNA的合成,來自細菌、酵母及植物等多種基因及代謝途徑的組裝,多基因的精密調控等。利用合成生物學技術可以合成非天然的氨基酸和堿基,如2003年,Schultz小組在大腸桿菌的蛋白質合成系統中引入新的化學成分,從而成功地合成包含非天然氨基酸的蛋白質;2006年,Benner小組通過引入新的堿基對,成功發展了人工生命遺傳系統。

7 參考資料

  1. ^ [1] . "生物恐怖分子?合成生物學喜憂".
  2. ^ [2] . "小議合成生物學".
  3. ^ [3] . "合成生物學:重塑生命是核心".

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  • 評論總管
    2018/10/21 6:07:19 | #0
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本頁最后修訂于 2011年9月12日 星期一 16:57:42 (GMT+08:00)
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