2017-03-17 09:12:00 記者 蔣秀娟 馮國梧
如今，在生物制造技術方面，合成生物技術已經(jīng)成為綠色生物制造產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的引擎。利用合成生物技術改變傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式，將減少對自然資源的依賴，以更小的環(huán)境代價獲得高經(jīng)濟產(chǎn)出，破解資源、能源、健康、環(huán)境、安全等重大難題。
在我國的“十三五”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略規(guī)劃中，合成生物技術已被列為重點發(fā)展方向，到2020年，我國將在該領域初步建立起合成生物技術的創(chuàng)新體系，在一些核心關鍵技術上進行突破，培育形成相關的合成生物技術產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)由部分“并跑”向整體“并跑”、部分“領跑”突破。
“非生命的化學物質(zhì)通過設計合成再造出新的生命體，已經(jīng)在實驗室里實現(xiàn)了。”最近，天津大學化工學院教授元英進有點兒興奮，歷經(jīng)5年“默默無聞”的奮斗，兩條釀酒酵母人工染色體終于被成功合成。
“釀酒酵母是第一個被全基因組測序的真核生物，化學合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的問題，另一方面可以通過基因組重排系統(tǒng)（SCRaMbLE），實現(xiàn)快速進化，得到在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領域有重要應用潛力的菌株。”元英進解釋說，“通過基因組合成研究檢驗人類當前對基因組的所有認識，將進一步加強我們對生命過程的調(diào)節(jié)和控制能力，提升人類改造生命甚至創(chuàng)造生命的能力。”
目前，國際上普遍認為，以基因組設計合成為標志的合成生物學是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組測序計劃”之后，即將引發(fā)的第三次生物技術革命，可望在人類健康、環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)等領域產(chǎn)生革命性影響。
作為引領生物技術產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心顛覆性技術，合成生物技術無疑將對我國經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響，同時也是我國面向世界科技前沿、占領新興產(chǎn)業(yè)制高點的必然選擇。為此，我國制定了合成生物技術“三步走”戰(zhàn)略規(guī)劃，到2050年，將全面發(fā)揮合成生物技術的引領作用，使我國進入該領域世界強國之列。
迎來“生物化”技術革命
合成生物技術是對天然或人工生物元器件進行設計組合，獲得重構或非天然的新生命系統(tǒng)的技術，即有目的的設計、改造乃至重新合成生命體，包括設計構建新型人工生物元器件、人工基因組、人工細胞等，是典型的生物學與工程學、信息學、材料學等多學科交叉融合的新興技術，廣泛應用于生物制造、生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、資源環(huán)境等領域。
科學家們認為，合成生物技術突破了生命發(fā)生與進化的自然法則，推動了生命科學由解讀生命到編寫生命的跨越。麥肯錫咨詢公司將該技術評價為未來的十二大顛覆性技術之一；2014年，美國國防部將其列為21世紀優(yōu)先發(fā)展的六大顛覆性技術之一；英國商業(yè)創(chuàng)新技能部將合成生物技術列為未來的八大技術之一；我國在2014年完成的第三次技術預測中，將合成生物技術列為十大重大突破類技術之一。
如今，在生物制造方面，合成生物技術已經(jīng)成為綠色生物制造產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的引擎。利用合成生物技術改變傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式，將減少對自然資源的依賴，以更小的環(huán)境代價獲得高經(jīng)濟產(chǎn)出，破解資源、能源、健康、環(huán)境、安全等重大難題。比如，美國杜邦公司曾構建人工細胞工廠生產(chǎn)重大化學品，能耗和溫室氣體排放均降低40%；美國科學家曾成功構建人工細胞工廠生產(chǎn)青蒿素，100立方米工業(yè)發(fā)酵罐的產(chǎn)能就相當于5萬畝的農(nóng)業(yè)種植，大幅降低了生產(chǎn)成本和對自然資源的依賴。
未來，通過基因組設計合成的研究，還能夠進一步深入認識基因組對生命的調(diào)控機制，從而為新型生物學治療方法、疫苗、材料、疾病控制和營養(yǎng)學等方面的基礎性研究提供強有力的支撐，在生命科學領域，可望構建超安全細胞、修復癌癥細胞基因組、抵抗衰老等，實現(xiàn)對現(xiàn)有健康產(chǎn)業(yè)的顛覆，快速形成以基因組合成帶動的新型生物產(chǎn)業(yè)，尤其是針對重大復雜疾病，有望形成萬億級醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)和千億級企業(yè)的新業(yè)態(tài)。
從默默無聞到“世界第二”
相較于2002年美國就開啟了DNA寡聚物合成基因組時代，我國在基因組設計合成領域起步較晚，在前期的病毒和原核生物基因組合成方面，基本沒有中國科學家的聲音。
2006年，合成生物技術研究被列入國家863計劃。2012年，依托于國家863計劃“合成生物技術”重大項目，天津大學、清華大學和華大基因與美國聯(lián)合推動了真核生物酵母人工基因組合成（Sc2.0）國際合作計劃。目前我國科學家已人工合成16條真核生物釀酒酵母染色體中的4條，占國際已完成數(shù)量的66.7%。這意味著我國已經(jīng)成為繼美國之后第二個具備真核基因組設計與構建能力的國家，這不僅使我國在該領域形成了一系列人工合成的突破性技術和成果，也使我國進入了國際合成生物技術領域的第一梯隊，由“跟跑”階段進入“并跑”階段。
在合成生物技術領域，我國取得了一系列突破性成果，包括：發(fā)展了多級模塊化和標準化基因組合成方法，實現(xiàn)了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定制精準合成；創(chuàng)建了基因組缺陷靶點快速定位與精確修復方法，解決了全合成基因組導致細胞失活的難題；建立了基于多靶點片段共轉(zhuǎn)化的基因組精確修復技術和DNA大片段重復修復技術，首次實現(xiàn)了人工基因組合成序列與設計序列的完全匹配；通過人工基因組中設計的特異標簽實現(xiàn)對細胞分裂過程中染色體變化的追蹤和分析，為研究當前無法治療的染色體成環(huán)疾病發(fā)生機理和潛在治療手段建立了研究模型。
在生物制造及相關的產(chǎn)業(yè)應用方面，我國科學家也取得了一系列應用成果：創(chuàng)建和優(yōu)化了一系列具有自主知識產(chǎn)權的人工細胞工廠，高效地生產(chǎn)藥物和大宗化學品等；研究培養(yǎng)的人工微生物菌群定向激活了稠油死井，并在中石油克拉瑪依、大慶等多個油田推廣應用；通過設計構建人工基因線路，建立了首個膀胱癌全新干預方案；通過設計極端修復和抗逆系統(tǒng)，顯著提高了植物對干旱、鹽堿及高寒等逆境的抗性。
一鼓作氣向“領跑”突破
如今，全球該領域的頂級科學家每年都要聚在一起，閉門研究和探討這一領域未來的發(fā)展方向和課題。
“下一步，國際合成生物領域的目標，將是多細胞生物的化學再造以及在各個領域的應用。”元英進建議，“相應地，我國需提前進行科學頂層布局，同步推進基礎研究和產(chǎn)業(yè)化應用，占領新興產(chǎn)業(yè)制高點。”作為國家863計劃“合成生物技術”重大項目的首席科學家，元英進最早參與并推動了Sc2.0國際合作計劃，在3月10日的國際頂級學術期刊《科學》的封面上，發(fā)表了兩篇以他為通訊作者的有關釀酒酵母染色體化學合成的學術論文。
目前，在基礎研究領域，我國原創(chuàng)理論和原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)還比較缺乏。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展領域，以美國為代表的西方等發(fā)達國家正逐步形成以合成生物技術為支撐的新型經(jīng)濟業(yè)態(tài)，我國合成生物技術產(chǎn)業(yè)尚處于初級階段，正在形成規(guī)?；瘧B(tài)勢。專家們建議，國家需盡早進行頂層設計布局，凝練若干個優(yōu)勢領域方向，在基礎研究、關鍵技術突破、產(chǎn)業(yè)引導等方面加大投入，布局建設國家生物信息中心和國家級研究中心，為基因組合成設計研究提供基礎保障，盡早形成技術優(yōu)勢和人才優(yōu)勢。
記者了解到，在我國的“十三五”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略規(guī)劃中，合成生物技術已被列為重點發(fā)展方向，到2020年，我國將在該領域初步建立起合成生物技術的創(chuàng)新體系，在一些核心關鍵技術上進行突破，培育形成相關的合成生物技術產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)由部分“并跑”向整體“并跑”、部分“領跑”突破。到2030年，將基本形成較完整的合成生物技術創(chuàng)新體系，合成生物產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模，國際競爭力大幅提升。
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