2017-03-17 09:12:00 記者 蔣秀娟 馮國梧
如今，在生物制造技術(shù)方面，合成生物技術(shù)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(shù)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(shù)已被列為重點發(fā)展方向，到2020年，我國將在該領(lǐng)域初步建立起合成生物技術(shù)的創(chuàng)新體系，在一些核心關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行突破，培育形成相關(guān)的合成生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)由部分“并跑”向整體“并跑”、部分“領(lǐng)跑”突破。
“非生命的化學(xué)物質(zhì)通過設(shè)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(xué)化工學(xué)院教授元英進(jìn)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(xué)合成酵母一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎(chǔ)生物學(xué)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(jìn)化，得到在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用潛力的菌株。”元英進(jìn)解釋說，“通過基因組合成研究檢驗人類當(dāng)前對基因組的所有認(rèn)識，將進(jìn)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(rèn)為，以基因組設(shè)計合成為標(biāo)志的合成生物學(xué)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(shù)革命，可望在人類健康、環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響。
作為引領(lǐng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心顛覆性技術(shù)，合成生物技術(shù)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(lǐng)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(shù)“三步走”戰(zhàn)略規(guī)劃，到2050年，將全面發(fā)揮合成生物技術(shù)的引領(lǐng)作用，使我國進(jìn)入該領(lǐng)域世界強國之列。
迎來“生物化”技術(shù)革命
合成生物技術(shù)是對天然或人工生物元器件進(jìn)行設(shè)計組合，獲得重構(gòu)或非天然的新生命系統(tǒng)的技術(shù)，即有目的的設(shè)計、改造乃至重新合成生命體，包括設(shè)計構(gòu)建新型人工生物元器件、人工基因組、人工細(xì)胞等，是典型的生物學(xué)與工程學(xué)、信息學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科交叉融合的新興技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生物制造、生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、資源環(huán)境等領(lǐng)域。
科學(xué)家們認(rèn)為，合成生物技術(shù)突破了生命發(fā)生與進(jìn)化的自然法則，推動了生命科學(xué)由解讀生命到編寫生命的跨越。麥肯錫咨詢公司將該技術(shù)評價為未來的十二大顛覆性技術(shù)之一；2014年，美國國防部將其列為21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的六大顛覆性技術(shù)之一；英國商業(yè)創(chuàng)新技能部將合成生物技術(shù)列為未來的八大技術(shù)之一；我國在2014年完成的第三次技術(shù)預(yù)測中，將合成生物技術(shù)列為十大重大突破類技術(shù)之一。
如今，在生物制造方面，合成生物技術(shù)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(shù)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(gòu)建人工細(xì)胞工廠生產(chǎn)重大化學(xué)品，能耗和溫室氣體排放均降低40%；美國科學(xué)家曾成功構(gòu)建人工細(xì)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(dāng)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(shè)計合成的研究，還能夠進(jìn)一步深入認(rèn)識基因組對生命的調(diào)控機制，從而為新型生物學(xué)治療方法、疫苗、材料、疾病控制和營養(yǎng)學(xué)等方面的基礎(chǔ)性研究提供強有力的支撐，在生命科學(xué)領(lǐng)域，可望構(gòu)建超安全細(xì)胞、修復(fù)癌癥細(xì)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(fù)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(shè)計合成領(lǐng)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(xué)家的聲音。
2006年，合成生物技術(shù)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(shù)”重大項目，天津大學(xué)、清華大學(xué)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(xué)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(shè)計與構(gòu)建能力的國家，這不僅使我國在該領(lǐng)域形成了一系列人工合成的突破性技術(shù)和成果，也使我國進(jìn)入了國際合成生物技術(shù)領(lǐng)域的第一梯隊，由“跟跑”階段進(jìn)入“并跑”階段。
在合成生物技術(shù)領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)合成；創(chuàng)建了基因組缺陷靶點快速定位與精確修復(fù)方法，解決了全合成基因組導(dǎo)致細(xì)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(fù)技術(shù)和DNA大片段重復(fù)修復(fù)技術(shù)，首次實現(xiàn)了人工基因組合成序列與設(shè)計序列的完全匹配；通過人工基因組中設(shè)計的特異標(biāo)簽實現(xiàn)對細(xì)胞分裂過程中染色體變化的追蹤和分析，為研究當(dāng)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(guān)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，我國科學(xué)家也取得了一系列應(yīng)用成果：創(chuàng)建和優(yōu)化了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的人工細(xì)胞工廠，高效地生產(chǎn)藥物和大宗化學(xué)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(yīng)用；通過設(shè)計構(gòu)建人工基因線路，建立了首個膀胱癌全新干預(yù)方案；通過設(shè)計極端修復(fù)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(lǐng)跑”突破
如今，全球該領(lǐng)域的頂級科學(xué)家每年都要聚在一起，閉門研究和探討這一領(lǐng)域未來的發(fā)展方向和課題。
“下一步，國際合成生物領(lǐng)域的目標(biāo)，將是多細(xì)胞生物的化學(xué)再造以及在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。”元英進(jìn)建議，“相應(yīng)地，我國需提前進(jìn)行科學(xué)頂層布局，同步推進(jìn)基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，占領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)制高點。”作為國家863計劃“合成生物技術(shù)”重大項目的首席科學(xué)家，元英進(jìn)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(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》的封面上，發(fā)表了兩篇以他為通訊作者的有關(guān)釀酒酵母染色體化學(xué)合成的學(xué)術(shù)論文。
目前，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)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(lǐng)域，以美國為代表的西方等發(fā)達(dá)國家正逐步形成以合成生物技術(shù)為支撐的新型經(jīng)濟業(yè)態(tài)，我國合成生物技術(shù)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(jìn)行頂層設(shè)計布局，凝練若干個優(yōu)勢領(lǐng)域方向，在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)突破、產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)等方面加大投入，布局建設(shè)國家生物信息中心和國家級研究中心，為基因組合成設(shè)計研究提供基礎(chǔ)保障，盡早形成技術(shù)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(shù)已被列為重點發(fā)展方向，到2020年，我國將在該領(lǐng)域初步建立起合成生物技術(shù)的創(chuàng)新體系，在一些核心關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行突破，培育形成相關(guān)的合成生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)由部分“并跑”向整體“并跑”、部分“領(lǐng)跑”突破。到2030年，將基本形成較完整的合成生物技術(shù)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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