我国合成生物学前沿技术及国际地位 | 我国合成生物学未来发展战略

2017 年 9 月 23 日 未来产业促进会

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我国合成生物学前沿技术及国际地位

本文由创新研究（ID:naiscast）授权转载

编者按：近年来，学科间的交叉会聚越来越明显，科技创新成果层出不穷。中国科协与生命科学学会联合体、清洁能源学会联合体、信息科技学会联合体、军民融合学会联合体、智能制造学会联合体联合，通过长期的跟踪研究，把握世界科技前沿动态，并定期以“中国科协创新智库产品”发布报告。本文主要介绍我国合成生物学领域近五年国内前沿技术、突破性成果以及取得的国际地位，为科技管理人员了解国内外生命科学的前沿技术及发展趋势提供决策咨询，也为研究与开发人员提供综合的参考信息。

一、近五年国内新理论、新原理、新观点、新方法、新成果、新技术

合成生物学的发展很大程度上依赖人们对生命体内在运动规律的掌握，近年来国内的一些研究发现为有目的地改造生命体提供了理论基础。

1.基因组复制工程辅助的连续进化

2013年，李寅等提出了基于基因组复制工程的连续进化（Genome replication Engineering assisted continuous evolution，GREACE）概念。其原理是通过在微生物细胞中引入一系列经遗传修饰的DNA 聚合酶校正元件使细胞进入一种高突变率的状态，从而在筛选压力条件下加速进化过程。经过一段时间的进化后，将校正元件从细胞中移除，这时细胞能维持稳定的基因型，同时能将这种优势表型遗传下去。这为解决在从头合成基因组中表达异源蛋白时所面对的一些问题提供了有效的解决方法。

2.microRNA定量调控

2015年，清华大学自动化系、清华信息国家实验室生物信息学研究部/合成与系统生物学中心汪小我和谢震研究组揭示了microRNA定量调控规律，发现microRNA的靶位点结合能力对竞争性内源RNA（ceRNA）效应强度影响的函数关系，并阐述了microRNA通路和RNAi通路竞争效应的不对称性。该研究为合理的设计有效的RNAi实验来减少siRNA的脱靶效应提供了理论基础，为未来用RNAi技术有效设计疾病基因靶向治疗等提供了理论基础。

3.定制特定大小的细菌细胞

2016年，中科院深圳先进技术研究院合成生物学工程研究中心研究员刘陈立团队发现细胞通过控制DNA复制的起始来协调细胞个体的大小，二者之间的关系可以用一个简单的数学公式来描述，该公式具有广泛的适用性。基于该定律，结合定量调控特定蛋白表达水平的基因回路，人们可以根据实际需求轻松设计并建造出特定长宽的细菌细胞。该研究对实现创造生命这一目标有着积极的意义。定向改造基因组序列为我们解决其中的某些问题提供了新的思路。

4.活病毒疫苗

2016年，北京大学医学部周德敏等研究人员利用琥珀密码子（终止密码子）可以识别非天然氨基酸的原理，通过将病毒复制基因的某个或部分编码密码子突变成终止密码子，使其在感染人体细胞后，不能进行完整的蛋白质翻译，从而获得了活病毒疫苗。所获得的病毒疫苗具有安全性和有效性。并且进一步突变三个以上三联码，病毒还由预防性疫苗变为治疗病毒感染的药物，且随着三联码数目的增加而药效增强。这一发现颠覆了病毒疫苗研发的理念，成就了活病毒疫苗的重大突破。

二、近几年我国在DNA组装技术方面的研究也有突破性的成果

1.CATCH技术：

2015年，清华大学的朱听课题组在Nature Communications杂志在线发表了题为CATCH enables one-step targeted cloning of large gene clusters的论文，他们首次体外应用Cas9系统实现对上百kb的基因组片段的靶向克隆。利用体外转录制备的sgRNA和表达纯化的Cas9蛋白特异性酶切目标全基因组，并通过Gibson Assembly原理将长达100 kb的目标片段一步连接到细菌人工染色体上实现特异性克隆。该技术的开发将极大简化对能够表达具有高附加值生物大分子的基因簇的克隆步骤，节省时间并降低成本。

2.C-Brick 技术：

2016年，中国科学院上海生命科学研究院的赵国屏课题组利用 CRISPR 相关蛋白 Cpf1开发C-Brick 体外DNA拼接技术。Cpf1 可以由人工设计的 crRNA 特异性引导切割 DNA并形成 5’突出的粘性末端，通过类似 BioBrick的前后缀设计思路，从而实现 DNA 元件的标准化拼接。C-Brick技术从根本上解决了以下两个问题：(1) 所用酶识别位点不能分布的太广泛；(2) 所产生的scar不能太长，不能编码稀有密码子，不能编码极性太强的氨基酸（造成融合蛋白不可溶）。利用C-Brick，赵国屏课题组已成功地拼接了多个荧光基因，进一步促进DNA组装技术的发展。

3.CasHRA技术：

2016年，中国科学院上海生命科学研究院覃重军团队开发了CasHRA (Cas9-facilitated Homologous Recombination Assembly) 技术。利用酵母原生质体融合，结合 Cas9 在体内切割释放出待拼接的 DNA 片段，然后利用酵母体内重组系统将片段拼接，最后得到 1.03 M 的MGE-syn1.0 最小大肠杆菌基因组，首次实现兆（M）级别的基因片段的靶向克隆，为合成生物学的进一步发展提供了潜在的研究框架。

这些DNA 组装新技术的不断发展，无论是在尺度上还是效率上，均有了质的飞跃，使得DNA组装技术更简便、高效，且进一步促进了更大更复杂DNA片段组装技术的发展。

三、我国合成生物学发展水平、战略需求及研究方向

由于合成生物学需要基于系统生物学所发现的生命体的运动规律来设计或者改造一个生命体，因此合成生物学的发展瓶颈主要在于系统生物学。今后生物学家面临的关键问题将不再是如何通过分子生物学操作来创建新的菌株，而是如何通过模拟分析确定怎样的序列才能使形成的新生命体具有期望的功能。太强调“生物元件”很难找出有普适意义的人工系统，因此我国在开展合成生物学研究时应该走出思维困境，转变科学研究的方式、规范以及战略。

由此可见，我国合成生物学的发展正在逐步追赶发达国家，并形成一套符合我国国情的、具有现实意义导向的，并且能够引领全球合成生物学发展的模式。由于合成生物学应用领域广泛、实用价值高，我国对其发展应保持支持和鼓励的方针，倡导和加强国防、医疗、环境、材料、经济、能源、食品和农业等领域对合成生物学的学习认识。

中国科协生命科学学会联合体供稿，原文内容有删减。

我国合成生物学未来发展战略

本文由创新研究（ID:naiscast）授权转载

编者按：近年来，学科间的交叉会聚越来越明显，科技创新成果层出不穷。中国科协与生命科学学会联合体、清洁能源学会联合体、信息科技学会联合体、军民融合学会联合体、智能制造学会联合体联合，通过长期的跟踪研究，把握世界科技前沿动态，并定期以“中国科协创新智库产品”发布报告。本文主要介绍我国合成生物学领域未来几年的发展需求、重点发展方向、未来发展战略、对策措施以及可能取得突破的领域及方向，为科技管理人员了解国内外生命科学的前沿技术及发展趋势提供决策咨询，也为研究与开发人员提供综合参考信息。

一、我国合成生物学未来几年的发展需求

合成生物学涉及基因工程、调节网络、生物合成、机电工程、纳米技术、计算机模拟等多学科的交叉、融合，关乎多种应用领域。下面主要从未来10年国民经济、社会发展和国防安全的战略目标，分析合成生物学发展的未来需求：

图1 我国合成生物学未来几年重点发展需求

1. 经济方面：

合成生物学具有在低碳经济中支撑经济增长和创造就业机会的巨大潜力。应进一步提升我国合成生物学的国际地位，重点支持自主创新和自主发展，促进内源性技术在技术水平、产品层次以及产业链分工中的地位快速提升；同时促使外源性技术本土化发展，逐渐形成多层次、多种模式融合互动的复合发展模式。

2. 军事方面：

合成生物学可用于军用武器、医药、新能源等的开发，同时也可用于改造军用材料、开发军用生物计算以及治理军用环境污染等多方面。我国国际形势严峻，面对世界超级大国的打压，合成生物学能够发挥巨大潜力，帮助我国提高军事战斗力、提高军用药物的治疗成效并保障军用物资充裕。

3. 能源方面：

合成生物学对新生物能源的开发具有不可估量的作用，可以解决生物燃料生产工艺过程中的一些关键问题。当今的人工合成细菌，可将糖类直接转化成与常规燃油兼容的生物燃油，甚至可以直接从太阳获取能量；更有使用合成基因组学方法，产生将自然界中的二氧化碳转化为甲烷的改造菌，成为一个专门生产甲烷的全新生物体。随着合成生物学的高速发展，以石油为中心的能源工业体系很可能被这样的新能源生产方式完全代替。

4. 环境方面：

运用合成生物学技术对微生物进行改造，构建能够监测、聚集和降解环境污染物的微生物体，可用于消除水污染、清除垃圾、处理核废料等，也可用于水域、空气等开放环境以及飞机、舰艇、洞库等密闭军事作业环境中污染物的检测与清理。

5. 农业方面：

合成生物学可用于研究和开发高产、抗病、耐旱、耐涝和环保的植物原料，以减少水肥使用，并在贫瘠之地种植出农作物。

二、我国合成生物学的重点发展方向

图2 我国合成生物学的重点发展方向

三、我国合成生物学未来发展战略

合成生物学将带来技术推动的新一轮经济增长，因此我国应努力成为该领域的国际领先者。

图3 我国合成生物学未来发展战略

四、我国合成生物学未来发展的对策措施

1. 解决技术挑战

发展合成生物学在元件及应用、互操作、度量、量产成本控制、工具及软件等方面面临挑战。我国应当在风险控制的同时大力发展合成生物学技术研究，迅速提高我国合成生物学技术水平，将挑战转化为机遇。

2. 解决监管问题

科学进展往往快于政策制定，同时合成生物学的界限也在不断变化，因此应关注与合成生物学治理和监管相关的问题，政府应当尽快推动制定合成生物学实验安全技术导则，梳理和完善已有的法律法规。此外，提倡建立政府监管下的合成生物学家自律机制，鼓励成立相关的行业协会或科学家组织，订立规则和标准进行风险评估。

3. 解决知识产权问题

国家要更加注重知识产权风险防范问题，在科研活动中要作好知识产权评议审查，加强自主知识产权的管理，保护好国家重要科学研究成果，防止技术成果的流失，并让更多的科技成果通过转化实施，获得更大的价值体现。

4. 解决包容问题

合成生物学是交叉性学科，既产生于多个学科，又回馈于这些学科。持续包容对于合成生物学的持续发展十分重要。一方面，要与产业界、监管和政策制定机构交流合作，使技术推动与市场拉动相结合。另一方面，使更多的公众参与合成生物学对话，了解其可能存在的内在风险，讨论有关的生物安全和伦理问题。

五、取得突破的可能领域及方向

图4 合成生物学可能突破的领域和方向

1. 运用合成生物学技术，推动生物医药的发展。合成生物学有助于发现、分离获得新的天然药物，设计新的生物合成途径，产生更多天然药物及类似物；将合成生物学原理广泛的应用于肿瘤治疗的免疫细胞的设计，产生多样化的治疗策略，最大可能的做到高效、低毒、可控、通用等目标；开发快速、灵敏的诊断试剂和体外诊断系统，满足早期筛查、临床诊断、疗效评价、治疗预后、出生缺陷诊断的需求；促进疫苗升级换代，重点推动新型疫苗（包括治疗性疫苗）的研发和产业化。