技術優享丨合成生物學概念及理論背景

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在美國化學年會上重新提出來，2003年國際上定義為基于系統生物學的遺傳工程和工程方法的人工生物系統研究，從基因片段、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"。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。

"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。

隨著計算機、生物信息、基因合成與基因測序等技術的進展，使計算機輔助設計、全基因乃至基因組人工合成成為可能，使生物工程產業化的技術瓶頸可能突破，使生物產業能夠進入工程化與設計化的產業發展，導致了有如"系統科學與自動通訊技術"之間的理論研究與技術轉化互動，系統科學與生物技術、系統生物學與合成生物學之間的密切互動，也將導致系統生物技術的基礎研究向應用開發的轉化(轉化科學、轉化生物學)距離迅速縮短。

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理論背景

依據組織系統結構理論 - 泛進化論(structurity, structure theory, pan-evolution theory)，從實證到綜合(synthetic )探討天然與人工進化的生物系統理論，闡述了結構整合(integrative)、調適穩態與建構(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)。系統與合成生物學的系統結構、發生動力與磚塊建構、工程設計等基于結構理論原理，從電腦技術的系統科學理論到遺傳工程的系統科學方法，是將物理科學、工程技術原理與方法貫徹到細胞、遺傳機器與細胞通訊技術等納米層次的生物分子系統分析與設計。

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" 。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(pattern)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，在認知心理學和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)"等含意。21世紀伊始，進入了系統生物學與工程迅速發展的時代，而系統遺傳學與合成生物學(系統遺傳工程或轉基因系統生物技術)是其核心，并將帶來的是系統醫學與生物工業革命。1997年曾邦哲(Zeng BJ.)設計與操作的一個典型的系統生物學非加和性抗藥細胞實驗:CHO細胞用化學誘變劑甲磺酸乙脂處理一次篩選到抗10uM和20uM洛伐他汀的細胞系，再用甲磺酸乙脂處理一次抗10uM洛伐他丁的突變細胞系篩選到高到可抗70uM洛伐他汀的細胞系 ，70uM遠大2X20uM=40uM，說明基因與基因的相互作用是非加和性的，也就是系統遺傳學的經典實驗。