聊聊合成生物學(xué)(一)——什么是合成生物學(xué)
合成生物學(xué)是一個(gè)新興的交叉學(xué)科,融合了生物學(xué)、工程學(xué)、信息學(xué)等多個(gè)學(xué)科,2024年1月被列入國(guó)家重點(diǎn)推動(dòng)的未來產(chǎn)業(yè)。合成生物學(xué)的目的是設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物部件和系統(tǒng),或者重新設(shè)計(jì)已有的天然生物系統(tǒng),從而能夠?qū)崿F(xiàn)自然界中并不存在的功能。通俗地說,就像小朋友搭樂高一樣,把DNA元件當(dāng)做樂高積木塊,組裝產(chǎn)生新的功能,甚至新的生命體。
從產(chǎn)業(yè)角度來看,合成生物學(xué)就是以生物基材料替代化石基材料(石油、煤炭等),以生物技術(shù)路線替代傳統(tǒng)化工技術(shù)路線。想象一下,讓細(xì)菌自己生產(chǎn)藥物,在細(xì)胞內(nèi)直接合成各種材料或能源,讓微生物或者植物來降解污染……聽起來就很酷炫。
合成生物學(xué)的核心策略
合成生物學(xué)怎么做到這一切呢?它采取的核心策略稱為DBTL——即“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)”的循環(huán)。
01 設(shè)計(jì)(Design)
根據(jù)已知的生物學(xué)知識(shí),規(guī)劃設(shè)計(jì)基因和代謝通路,就像規(guī)劃樂高積木的圖紙。這個(gè)過程中通常需要用到信息學(xué)的技術(shù),來預(yù)測(cè)生物系統(tǒng)的行為。
02 構(gòu)建(Build)
包括基因合成、基因編輯、基因組裝和遺傳轉(zhuǎn)化等過程,將設(shè)計(jì)好的基因?qū)氲郊?xì)胞中,構(gòu)建出新的“細(xì)胞工廠”。
03 測(cè)試(Test)
確認(rèn)構(gòu)建出的“細(xì)胞工廠”能夠正常工作,測(cè)試“細(xì)胞工廠”生產(chǎn)的產(chǎn)品是否符合我們的要求。這里涉及到發(fā)酵工程、分析測(cè)試技術(shù)、高通量篩選技術(shù)等平臺(tái)。
利用信息學(xué)技術(shù),對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析學(xué)習(xí),根據(jù)分析結(jié)果修正和優(yōu)化原有的設(shè)計(jì),開始新的DBTL循環(huán)。
通過連續(xù)迭代優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)理想的性能。DBTL其實(shí)是工程學(xué)研究的套路,研究者將這個(gè)套路用在合成生物學(xué)上,希望能用工程的方法創(chuàng)造更多可能。
合成生物學(xué)與傳統(tǒng)生物學(xué)的區(qū)別
合成生物學(xué)起源于傳統(tǒng)生物學(xué),但也有明顯區(qū)別。我們熟知的分子生物學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等理論學(xué)科,關(guān)注的是描述和理解生命的基本過程,側(cè)重于“自上而下”的理論研究。而合成生物學(xué)是用工程的方法論去做研究,重點(diǎn)是模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和可預(yù)測(cè)性,類似于工程學(xué)中的設(shè)計(jì)和建造過程,更側(cè)重于“自下而上”的應(yīng)用導(dǎo)向。而與以往的生物技術(shù)相比,合成生物學(xué)的方法論更為明確,對(duì)定量可控的要求更高。
正因?yàn)榇嬖谶@樣的差異,雖然大多數(shù)合成生物學(xué)上游原料酶與分子生物學(xué)工具酶品種相同,但合成生物學(xué)原料更加強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和工程化,對(duì)穩(wěn)定性、級(jí)聯(lián)反應(yīng)兼容性、批次間差異等指標(biāo)更為敏感,對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)能力、生產(chǎn)規(guī)模、質(zhì)量管理也提出了更高的要求。
愚公生物面對(duì)國(guó)內(nèi)合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)對(duì)上游原料的迫切需求,經(jīng)過多年積累,目前已成為國(guó)內(nèi)DNA/RNA工具酶品種最為齊全的供應(yīng)商。未來愚公生物將進(jìn)一步深入理解合成生物學(xué)對(duì)原料的特殊要求,努力為為中國(guó)合成生物學(xué)行業(yè)提供更多優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、使用方便,且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原料酶產(chǎn)品。