合成生物学是一个多学科的领域，工程原理被应用于生物系统。其最终目标是以类似于工程师设计电子或机械系统的方式来最终设计生物系统。
在文中，我们将概述关键的合成生物学概念，并探讨合成生物学是如何应用于各个科学研究领域的。 1 遗传工程与合成生物学
2 自上而下与自下而上的合成生物学 大体上，合成生物学方法可以分为以下两种[1]：
在自上而下的合成生物学中，启动子、基因产品等被认为是一个系统的组成部分。宿主细胞或‘底盘’已经组装好了，这是一个优势。然而，这个现有的系统有可能与随后被引入底盘的合成系统发生‘串扰’[2]。 2 合成生物学简史 合成生物学目前的情况是站在以前化学和分子生物学进步的肩膀上的。 20世纪初：化学家设计和生产新的化学物质，合成化学建立。 20世纪：基因组学革命发生，DNA测序技术的建立和快速发展。我们对自然发生的生物系统的组成和组织的理解得到加强。 最近十年：新的基因组编辑和工程能力存在，使DNA测序比以前更快、更便宜。有了合成DNA的新平台。 未来前景：科学家们设计和建造新型生物物质，包括基因、蛋白质、器官和最终的整个生物体。 4 合成生物学的应用 合成生物学有可能彻底改变许多不同应用中采用的方法和技术，包括但不限于[3]： ➤ 诊断； ➤ 生物燃料； ➤ 生物传感器； ➤ 耕作和农业； ➤ 治疗。 让我们来探讨其中的一些应用。 4.1、食品科学 合成生物学有可能以各种方式彻底改变人类生产和食用食物的方式： 4.1.1、改变目前的生产系统 天然甜味剂，如甜菊糖苷，通常从植物中获得。由于全息分析的进步，我们知道哪些基因编码了植物来源的甜味剂生物合成所需的酶[4]。作为一种替代性的生产方法，我们正在探索设计生产代谢物（甜味剂）并在生物反应器中生长的细胞工厂。使用一种特殊的酵母菌株，即酿酒酵母，已经取得了‘显著的进展’[5]。 4.1.2、提高可持续性 正在生产无动物蛋白，以减少与消费动物产品有关的水、土地和能源的使用。科学家们将鸡卵蛋白的DNA序列插入酵母细胞中。酵母培养物被喂食糖，通过发酵转化为蛋白质[5]。 4.1.3、增加使食物更有营养的代谢物生产 番茄红素是红色水果和蔬菜中的一种红色胡萝卜素碳氢化合物，与冠心病等疾病的风险降低有关[6]。通过模块化酶的组装，科学家通过在S. cerevisiae中的生物合成获得了2300 mg/L的番茄红素[7]。 4.1.4、改善口感/增加新功能 血红素是一种富含铁的分子，是‘肉味’和与肉有关的‘血腥味’的基础。正在通过基因工程使酵母产生类似的富含血红素的蛋白质，即大豆植物中的豆血红蛋白[8]，来生产植物性血红素。 生物学家确定了产生负责某些食物品质的蛋白质的基因序列。这些蛋白质通常以动物或植物为基础。一旦确定，分子成分可以被修改，并被设计成大规模生产的‘机器’。 4.2、现代医学 合成生物学的应用跨越了现代医学的各个分支学科，推动了诊断、药物发现的进步，并有可能改变医疗保健。 4.2.1、了解疾病，设计更好的类器官 类器官，来自组织的三维组织培养物，来自于干细胞。它们正在彻底改变我们研究细胞机制和疾病病理学的能力。有时，类器官的表型是不成熟的，但合成生物学可以帮助。科学家们在多能干细胞衍生的人类肝脏类器官中设计了基因调控网络，以指导类器官的成熟和形态发生。与传统的多能干细胞衍生的肝脏器官相比，器官的功能、信号传递和酶的活性都得到了改善[9]。
4.2.2、药物的发现、测试和开发 合成生物学可以通过各种方式应用于药物发现和药物开发[11]。例如，它可以帮助：
4.2.3、诊断 对于某些疾病，传统的诊断方法可能[10]： ➤ 缓慢，在提供诊断前，疾病就会发生新的进展； ➤ 在世界上的某些地区难以获得； ➤ 不可靠，意味着需要进行额外的确认测试，而且费用较高； ➤ 侵入性，在某些情况下需要进行活检。 基于合成生物学的方法可以为诊断一系列疾病，包括癌症和传染病，提供更好的、具有成本效益的、非侵入性的选择。 4.2.4、基于细胞的生物传感器 基因工程的活细胞可用于通过传感器蛋白检测特定的分析物。该蛋白与遗传调控系统相连，可由细胞产生可测量的信号，例如，荧光。 4.3、保护 基于合成生物学的技术正被用于保护和恢复生物多样性的努力，包括[12]：
➤ 基因改造可以使受威胁的物种具有抗病能力。 ➤ 基因改造可以提高受威胁物种对全球变暖等因素的抵御能力。 ➤ 除其他合成生物学应用外，工程基因驱动可用于协助当前全球努力防止生物多样性进一步丧失和促进保护。 5 合成生物学的未来 合成生物学的各种应用表明它有能力影响地球上生命的许多方面。然而，该领域还面临着一些必须克服的持续挑战，如[13]： 5.1、全面了解 重新设计生物系统并为特定的结果进行工程设计，需要全面了解自然界如何在没有干预的情况下运作。这适用于所利用的任何生产平台，如植物、细菌、人类细胞或酵母。如果我们不了解基本的生物系统，我们就不能使用它们。 5.2、伦理和监管 伦理和监管，合成生物学提供的机会与各种各样的伦理考虑相伴而生。监管框架将需要在全球范围内实施，需要政府、学术界和工业界的协同合作。 5.3、标准化 合成生物学研究的标准和协议存在很大的差异性。标准化对于提高该领域的再现性和准确性是必要的。 5.4、信息共享 分享信息并从成功和失败中学习的平台将有助于该领域的发展。目前这种平台是有限的。 |
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