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合成生物学:生物工厂中的新化学反应 (发表于光明日报科技天地)

已有 5683 次阅读 2013-4-1 18:42 |系统分类:科普集锦| 生物学, 光明日报, 合成, 工厂

合成生物学: “生物工厂中的新化学反应”

 

新兴的合成生物学方法正在将新的化学反应引入到底盘生物中,打造具有各种特殊功能的生物工厂。合成生物学将为解决人类面临的资源、能源和环境等重大问题提供新的解决方案,从根本上变革人类的生产和生活方式。

 

1.   21 世纪的生物工业,必将象20 世纪的化学工业一样,促进人类的跨越发展 

20 世纪初,物理化学家哈伯发现了铁催化的,氮气转化为氨的反应。他因此于1918年获得诺贝尔化学奖。由于他的发明,现在的化工厂每年制造出来约5亿吨肥料,从而大大提高农作物的产能。合成氨催化剂的发明不仅启动了现代化学工业,也宣告了现代农业的到来。研究表明,肥料的生产支撑了全球一半人的食物的来源。2007年诺贝尔化学奖授予了另外一位物理化学家埃特尔,他进一步解析了表面化学催化的原理,包括氮气怎么转化成氨。埃特尔为了研究合成氨的机理,测量了铁粉表面氮原子的浓度,发现氮是以原子而不是以分子的形式与氢反应。 埃特尔对哈伯合成氨机理的研究,已经成为结合多种表面科学手段研究、理解并优化复杂催化反应的典范,并具有十分重要的经济意义。合成化学另一项有代表意义的重大突破是高分子材料的发明。美观耐用的合成纤维、性能优越的合成橡胶、物美价廉的塑料都是高分子合成材料。高分子化学的奠基人施陶丁格(1953年),齐格勒、纳塔(1963年)也分别获得了诺贝尔奖。2001‐2010 年,还有三次化学诺贝尔奖奖励了三个非常重要的化学反应的发明者。2001 年诺贝尔化学奖授予金属催化的不对称氧化和还原反应,2005年是金属催化的烯复分解反应,2010年是金属钯催化的偶联反应。 在20世纪化学家发现的大量新反应及其机理, 使得化学工厂可以以较高的效率合成出各种生产生活必需品及药物,这些材料构成了人类物质文明的基础。

随着合成化学技术的迅猛发展,人类怀着人定胜天的信念,大量的创造出来了新的物质财富。这些巨大的成就曾经使得人们相信,人类可以无限制的向自然索取,可以任意驱使自然力为人类服务。但是,人与自然界之间存在着微妙的平衡。当人类不恰当的运用科学技术的力量向自然界索取和征服时,就像是儿童掌握了破坏力巨大的武器,对人与自然产生巨大伤害,并受到自然界的报复和惩罚。虽然化学家以及化学工业对人类作出了重大贡献,但是目前化学工业能耗很大,排放废气废水很多,对环境造成了较严重的污染,包括空气污染、海洋污染和土壤污染。这些问题是对科学家的重大挑战,同时也提供了发展新化学反应的重要契机。在这样的背景下,生物工厂的发展,将为化学工厂的改进和升级提供强大的推动力。长期以来,化学工业的发展较少关注生态平衡问题、环境问题、资源问题。在我们国家人口密集、人均资源有限的情况下,这些矛盾显得尤其尖锐。现在,科学家们已经意识到,人类是自然界的一部分,需要与自然界休戚与共,共存共荣,实现人与自然的协调发展。目前的生物工厂,正如20世纪初的化学工厂一样,将通过一系列新反应的发明和优化,迎来重大的发展契机。随着基因组的解析和许多代谢通路的阐明,合成生物学家已经可以在活细胞里面设计优化许多重要的化学反应。 例如:可以在微生物中高效生产青蒿素、紫杉醇等重要药物的前体、丁醇等生物燃料、可生物降解高分子材料等。 由于生物体具有自养、自组装、自修复、可降解等特性,我们可以显著的提高合成的效率、降低成本、降低对环境的污染。 非常关键的是,合成生物学家可以利用生物快速进化的能力及生物酶的高催化活性、特异性,迅速的在活细胞中设计和优化化学反应。合成生物学家发现新的催化剂和新的化学反应的速度,将远远高于利用传统的化学方法发现催化剂和新化学反应的速度。正如化学在二十世纪的发展史一样,人类在二十一世纪正在从生物学的“分析时代“逐渐过渡到”合成时代“。在此过程中,科学家将发展合成生物学的理论与方法,采用工程化的模块化设计,改造和优化现有自然生物体系,从头创建可控合成、具有功能的人工生物体系,为解决人类面临的资源、能源和环境等重大问题提供新的解决方案,从根本上变革人类的生产和生活方式,逐渐减少对石油的依赖,利用农业生物质如纤维素、非粮淀粉、非粮脂肪酸等为原料生产材料、能源、化工产品等。

 

2.   合成生物学指明了一条提高未来生物及化学工业竞争力,降低能耗和污染的道路。

我有一个梦想,20年之后的生物工厂,它的能量来源于太阳光,原料来自空气,不排放二氧化碳,不制造污染,可以生产人类社会必须的多数物质原料、可降解材料、药物和能源。这将是二十一世纪的重要科技革命。我们将在活细胞中发展一系列新反应,包括点击化学反应、 氧化还原反应、消除反应、环加成反应、烯复分解反应等,为未来生物工厂的建造提供强大推动力。如果这个梦想能实现,我们中国的能源将能够实现自给自足,摆脱目前需要大量进口国外原油和天然气,能源安全极易受到国际形势影响的现状。如果这个梦想能实现,我们将能够普遍的用上清洁能源,气体污染物大大减少。北京的天空,不会再是经常阴沉沉的,而我们的呼吸的空气,将会像在泰国普吉岛的空气一样纯净。如果这个梦想能实现,天然化学品与有机化工原料将摆脱对天然资源的依赖,为促进可持续经济体系的形成与发展奠定科学基础。如果这个梦想能实现,我们使用的多数材料,如塑料袋、各种电子产品如电脑和手机的外壳、汽车轮胎等都可以用特殊的微生物降解,我们的城市周边,不再有大量的垃圾场。如果这个梦想能实现,我们日常使用的药物,都可以直接在绿藻或植物中表达,药物不需要纯化,可直接服用,从而大大降低药品的成本,实现全民医保的崇高目标。 

我有一个梦想,如果中国的化学家和生物学家能够把握合成生物学的未来科技革命趋势,为了实现人与自然和谐共存的崇高目标而努力,就有可能在中国的本土培养出诺贝尔奖获得者,就有可能建立起一个创造加速知识与财富可持续增长的新纪元的前沿交叉学科,占据生命科学的最前沿和生物科技发展的战略制高点。

未来生物工厂。 外壳由一层自养、产氢、固氮、固定二氧化碳的藻类生物构成。中层进一步将藻类生物生产的原料处理为人类生产生活需要的原材料及生物燃料并加以储存。内层是藻产生的氢气,使得生物工厂漂浮在空中,可根据日照条件改变高度及位置。

 

合成生物学已经引起全球科技界与社会各层面的高度关注,欧美发达国家正在向该领域投入巨额研究经费。我国合成生物学工作起步与国际相差大约5-10年。近年来,我国科学家积极参与国际合作与竞争,获得了较快的发展及一系列重要成果,为天然化学品与有机化工原料摆脱天然资源的依赖,促进可持续经济体系的形成与发展奠定了科学基础。 

例如,我们课题组已经实现了在活细胞中增强蛋白质翻译机器的功能,实现了蛋白质药物及酶的定点特异修饰,从而大大优化其催化活力及药学性能。特别值得一提的是,通过此种方法,将可以把传统只能在有机溶剂里进行的,一些特别重要的金属催化的反应引入到蛋白质及活细胞中来,充分的扩展生物底盘细胞的化学催化功能。中国的科学家已经通过合成途径的设计、DNA元件的合成与优化、合成途径的精确调控及人工细胞的性能优化,解析了人工合成细胞工厂构建过程中的关键科学问题,创建并优化了一系列丁二酸、异丙醇、1,4-丁二醇、己二酸等重大生物基化学品的合成途径,获得了多个具有产业化应用前景的细胞工厂。中国的科学家已经实现了纤维素酶的高效表达,并将其应用于纤维素和木质素(从农作物秸秆中获得)的降解及生物乙醇的生产。利用先进的分子生物学方法, 中国科学家得到了乙醇、丁醇、乙酸、糠醛、辐射压力具有耐受性的菌突变株,为高效大规模用生物工厂生产大宗化学品铺平了道路。生物聚酯—聚羟基脂肪酸酯(PHA)是生物材料制造的重点之一,可以用作可降解的环保塑料、 可植入的生物材料,内服药等。但是,PHA产业还存在着制造成本居高不下,从而导致竞争性差的特点。 合成生物学方法将有效的解决这个问题。 国内科学家对衣藻外源基因表达调控机理进行了十多年的基础研究,实现了药物多肽在衣藻中的表达,并进一步开发出可食性预防药物及工业原材料,其产品具有广阔的市场前景。在不久的将来,我们可以设计精细调控的人工基因器件,按照人类特定的目的,通过对调控基因和相应网络的改造,对生物的基因组进行人工的“重新编程”,从而让细胞来完成人们设计的目标任务。这将是合成生物学的一个重要研究方向. 

 

3. 合成生物学还将在更多的领域引领科技革命,例如: 

1.  以候鸟为代表的众多生物,都拥有着感应磁场的神奇本能,它们与生俱来地懂得利用磁场力定向。科学家将设计一种磁性生物,专门吸收、富集、并降解土壤及水系中的重金属、持久污染物等有害物质,然后通过磁铁吸附对有害物质实现简单的收集和处理。2. 科学家将利用烟草、木薯等容易种植,产量高的植物作为生物工厂,实现青蒿素、紫杉醇等重要药物的高效生产。如果实现利用可食用的植物作为反应器生产小分子及蛋白质药物,将促进中医和西医的真正全面结合,引发人口健康领域新的革命。同等重要的是,由于利用这种方法生产出来的药物可以直接食用而无需分离纯化,将大大降低药品的成本,有利于我国建立更加全面的医疗保障体系。3. 中国的纳米化学家已经实现了仿生超疏油/超疏水(超双疏)、超亲油/超亲水(超双亲)、超疏油/超亲水、超疏水/超亲油纳米材料设计的重要突破。科学家将反过来将这些设计纳米材料的原理用于设计新的抗旱植物,使其具有超强的吸水,保水能力。普通的植物在极干旱的条件下无法生长,如果能够这种新型的植物可以在沙漠地区大量生长,将有可能对我们国家沙漠盐碱地的治理起到重要贡献。4. 能源、人口健康、重大工程等领域对可降解、环境友好材料的需求将持续增长,这些先进材料中的一部分将能够用生物工厂制造。同时生物工厂的设计与数字化制造结合,将产生极大的经济影响。  

 



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