合成生物技術:2050 年領跑世界

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如今,在生物製造技術方面,合成生物技術已經成為綠色生物製造產業高速發展的引擎。利用合成生物技術改變傳統的工業生產方式,將減少對自然資源的依賴,以更小的環境代價獲得高經濟產出,破解資源、能源、健康、環境、安全等重大難題。

在我國的 “十三五” 科技創新戰略規劃中,合成生物技術已被列為重點發展方向,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業,實現由部分 “並跑” 向整體 “並跑”、部分“領跑” 突破。

“非生命的化學物質通過設計合成再造出新的生命體,已經在實驗室裡實現了。”最近,天津大學化工學院教授元英進有點兒興奮,歷經 5 年 “默默無聞” 的奮鬥,兩條釀酒酵母人工染色體終於被成功合成。

“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(SCRaMbLE),實現快速進化,得到在醫藥、能源、環境、農業、工業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節和控製能力,提升人類改造生命甚至創造生命的能力。”

目前,國際上普遍認為,以基因組設計合成為標誌的合成生物學是繼 “DNA 雙螺旋發現” 和“人類基因組測序計劃”之後,即將引發的第三次生物技術革命,可望在人類健康、環境、能源、農業等領域產生革命性影響。

作為引領生物技術產業化發展的核心顛覆性技術,合成生物技術無疑將對我國經濟社會發展產生重大影響,同時也是我國面向世界科技前沿、佔領新興產業製高點的必然選擇。為此,我國製定了合成生物技術 “三步走” 戰略規劃,到 2050 年,將全面發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

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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、資訊學、材料學等多學科交叉融合的新興技術,廣泛應用於生物製造、生物醫藥、農業、資源環境等領域。

科學家們認為,合成生物技術突破了生命發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。麥肯錫諮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 世紀優先發展的六大顛覆性技術之一;英國商業創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,在生物製造方面,合成生物技術已經成為綠色生物製造產業高速發展的引擎。利用合成生物技術改變傳統的工業生產方式,將減少對自然資源的依賴,以更小的環境代價獲得高經濟產出,破解資源、能源、健康、環境、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青蒿素,100 立方米工業發酵罐的產能就相當於 5 萬畝的農業種植,大幅降低了生產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控機製,從而為新型生物學治療方法、疫苗、材料、疾病控製和營養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、修復癌症細胞基因組、抵抗衰老等,實現對現有健康產業的顛覆,快速形成以基因組合成帶動的新型生物產業,尤其是針對重大複雜疾病,有望形成萬億級醫療健康產業和千億級企業的新業態。

從默默無聞到 “世界第二”

相較於 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。

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2006 年,合成生物技術研究被列入國家 863 計劃。2012 年,依託於國家 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,佔國際已完成數量的 66.7%。這意味著我國已經成為繼美國之後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 “並跑” 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:發展了多級模組化和標準化基因組合成方法,實現了由小分子核苷酸到活體真核染色體的定製精準合成;建立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;建立了基於多靶點片段共轉化的基因組精確修復技術和 DNA 大片段重複修復技術,首次實現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籤實現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疾病發生機理和潛在治療手段建立了研究模型。

在生物製造及相關的產業應用方面,我國科學家也取得了一系列應用成果:建立和優化了一系列具有自主智慧財產權的人工細胞工廠,高效地生產藥物和大宗化學品等;研究培養的人工微生物菌群定向啟用了稠油死井,並在中石油克拉瑪依、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幹預方案;通過設計極端修復和抗逆系統,顯著提高了植物對乾旱、鹽鹼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佈局,同步推進基礎研究和產業化應用,佔領新興產業製高點。”作為國家 863 計劃 “合成生物技術” 重大項目的首席科學家,元英進最早參與並推動了 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。

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目前,在基礎研究領域,我國原創理論和原創發現還比較缺乏。在產業發展領域,以美國為代表的西方等發達國家正逐步形成以合成生物技術為支撐的新型經濟業態,我國合成生物技術產業尚處於初級階段,正在形成規模化態勢。專家們建議,國家需儘早進行頂層設計佈局,凝練若幹個優勢領域方向,在基礎研究、關鍵技術突破、產業引導等方面加大投入,佈局建設國家生物資訊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,儘早形成技術優勢和人才優勢。

記者瞭解到,在我國的 “十三五” 科技創新戰略規劃中,合成生物技術已被列為重點發展方向,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業,實現由部分 “並跑” 向整體 “並跑”、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新體系,合成生物產業初具規模,國際競爭力大幅提升。

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