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合成生物学再造浪潮:从基因到生态系统

已有 1348 次阅读 2019-6-10 21:54 |系统分类:科普集锦| 合成生物学

在合成生物学家眼里,地球上现有的生物很不完美。只是在进化过程中不断适应环境罢了,并没有达到完美的程度,相反留下了很多累赘。

因此对其进行改造在所难免,2000年,两篇经典合成生物学nature paper应运而生。

一篇,利用三个转录抑制因子构建了一个震荡生物钟系统,让GFP荧光蛋白周期性地发光和熄灭。

另外一篇,构建了一个遗传开关(switch)控制基因的转录和降解,进而构建一个人工的遗传调控系统。

从此一发不可收拾,各种各样的改造开始进行。

有人从中心法则入手,

改造启动子(promoter),使其可以诱导表达,也就是控制转录,从而控制细胞行为。上面的两篇paper就是典型,一个是genetic switch,一个是genetic circuit。

从核糖体的结合位点RBS下手,控制其翻译。典型的是正交翻译系统,只用正交的RBS位点才能和正交的核糖体结合,这样可以控制非天然氨基酸的插入,这样既可以生产非天然的蛋白,以可以不损害宿主的存活,一举两得。

还有就是利用RNA aptamer,这样的一种RNA适配体可以感知环境中锌离子的浓度的变化。

蛋白的修饰出发,控制其蛋白活性。很多蛋白都存在翻译后修饰,最常见的就是磷酸化,顾名思义是在氨基酸上加上一个磷酸分子,这样可以引起蛋白构象上的变化。有些会引起降解有些会引起蛋白活性的改变,因此达到控制蛋白的目标,从而控制细胞的行为。一个典型的例子就是在植物中引入一种TNT的受体,可以感知环境中的有害气体,一旦气体浓度超标,TNT受体就会别磷酸化激活,迅速使植物的叶绿素丢失,植株黄化枯萎,可以及时报警

如果这些都还是小打小闹的话,下面的这些就有些惊心动魄了。

2005年,科学家复活了一种1916年的出现流感病毒。世人惊呼,生物武器太恐怖了。

2007,科学家们改造两种酵母菌种,使其相互共生,即一种酵母可以产生一种另外一种酵母所必需的物质,反之亦然。

到2008年,Venter直接改造并合成了支原体的整个基因组,号称重新再造了生命。世人惊呼,Venter开始扮演上帝了么?

因此,这些都给合成生物学很大的畅想空间。

第一,我们可以复活猛犸象,只要获得其完整的基因组。然而,目前还有找到完整的组织,大概被我们善于捕猎的老祖宗给吃干净了。因此有人嘲笑道,不是我们在找猛犸象,而是需要猛犸象来找我们。

第二,保存濒危物种的活体组织,以待来日。将来等技术成熟,复活它们完全不成问题

第三,利用工程菌种生产生物柴油。解决工业能源问题

第四,改造光合系统,大幅度提高光合产率。解决人类吃饭问题

最有野心的是George Church,他在《再创》《regenesis》一书中,设想我们可以合成镜像生命,这可以大幅度增加生物多样性。所谓镜像生命就是其DNA和蛋白的化学手性完全与自然界中手性相反。镜像系统的DNA是反手性的,多了四种。氨基酸多了19种,因为甘氨酸无手性。这样以来,生物的种类天知道会出现多少种。

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甚至考虑会出现镜像人类,他们将如何生活,如何与现有的人类共存。按说这样的人类有先天优势,因为自然界存在的病毒和细菌都无法侵入他们体内,因为其受体无法识别,所以这些镜像人类基本不会得病。

可以说,合成生物学将象牙塔中那些枯燥高深的高级实验,一步一步地推入现实世界,并逐步地改变这个世界。

合成生物学是未来,未来已来。这些新物种将会对生态系统造成怎样的影响?新型的生物入侵该如何规避?政客,商界,普通百姓,真的做好准备了么?伦理和安全问题,我们都要共同面对。


主要参考文献:

  1. The second wave of synthetic biology: from modules to systems(https://www.nature.com/articles/nrm2698)

  2. George Church 《regenesis》

我是凌俊杰,一个合成生物学的初学者,愿意和你一起看尽这个生物再造的世纪。




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1 梁洪泽

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