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Synthetic biology enablement: From academic development to industrial transformation

來源:泰然健康網(wǎng) 時(shí)間:2024年12月11日 11:00

摘要:合成生物學(xué)通過引入工程科學(xué)“自下而上”認(rèn)識(shí)生命體系的理念,在生命科學(xué)研究中采用“設(shè)計(jì)—構(gòu)建—測(cè)試—學(xué)習(xí)”迭代的研究范式,并在基因組和系統(tǒng)生物學(xué)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建工程化的新生命體系,為生命科學(xué)提供了“從創(chuàng)造到理解”的新途徑,不僅顛覆了從整體到局部的“格物致知—還原論”的傳統(tǒng)研究策略,還開啟了理解生命本質(zhì)的“建物致知”新文化。同時(shí),合成生物學(xué)將生物技術(shù)由“模擬自然過程”和“遺傳工程改造”上升至“定量理性設(shè)計(jì)”和“標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建測(cè)試”的高度,推動(dòng)生物工程和代謝工程朝著對(duì)標(biāo)生命過程的高效率、普適性的工程化“重編程”,甚至是“從頭構(gòu)建”的新高度,以實(shí)現(xiàn)“建物致用”的目標(biāo)。文章梳理了合成生物學(xué)近年來在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究中“建物致知”方面的重要進(jìn)展,列舉了其在化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)境等應(yīng)用領(lǐng)域中“建物致用”的具體案例,展現(xiàn)了合成生物學(xué)對(duì)人類社會(huì)全面發(fā)展正在發(fā)揮的重大影響,強(qiáng)調(diào)了為確保合成生物學(xué)的健康、快速發(fā)展,構(gòu)建會(huì)聚生態(tài)系統(tǒng)與治理體系的重要性。

Synthetic biology enablement: From academic development to industrial transformation

Abstract: Synthetic biology revolutionizes the comprehension of life systems from an engineering perspective, employing a "bottomup" approach in life science research. It adopts an iterative research paradigm of "design-build-test-learn" in life science research and creates engineered new life systems grounded in genomics and systems biology. This provides a new pathway of "from creation to understanding" for life sciences, departing from the traditional reductionist research strategy of "study the whole to understand the parts" and opening up a new culture of "building to understand" the essence of life. Additionally, synthetic biology elevates existing biotechnologies previously based on "simulating natural processes" and "genetic engineering modifications" to a level of "quantitative rational design" and "standardized construction testing", pushing bioengineering and metabolic engineering towards efficient, universal engineering "reprogramming" and even "de novo construction", thereby achieving the goal of "building to use". This study reviews the significant progress of synthetic biology in the aspect of "building to understand" in basic life science research in recent years, providing specific cases of its "building to use" in fields such as chemical engineering, medicine, food, and the environment, showcasing the profound impact synthetic biology is exerting on the comprehensive development of human society. Moreover, it underscores the importance of constructing a convergent ecosystem and governance framework to foster the robust and expeditious development of synthetic biology.

近年來,隨著基因組“讀”“寫”“編”能力的提升,以及人工智能的助力,生命系統(tǒng)“計(jì)算”和“設(shè)計(jì)”的理論和技術(shù)不斷突破,使得人們對(duì)生命系統(tǒng)的研究逐漸逼近可定量、可預(yù)測(cè)、可合成的理想高度。生物制造、生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用解決方案也在持續(xù)迭代和突破,合成生物學(xué)的創(chuàng)新生態(tài)從學(xué)科發(fā)展到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的會(huì)聚研究過程中不斷完善,其對(duì)人類社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的賦能潛質(zhì)日益凸顯。這種通過合成生物學(xué)賦能改變社會(huì)生產(chǎn)力乃至生活方式的態(tài)勢(shì),具有前所未有的深度和廣度,必然與原有的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與文化環(huán)境產(chǎn)生沖突,要求我們適時(shí)適地調(diào)整或重構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)與治理體系。在推動(dòng)合成生物學(xué)發(fā)展的同時(shí),必須規(guī)范研究范疇、明確倫理底線,確保研究成果能夠順利賦能生命科學(xué)研究和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展,最終造福國(guó)家和人民。

1 “建物致知”的深入,開啟理解生命的新途徑

合成生物學(xué)基礎(chǔ)研究的深入與使能技術(shù)的創(chuàng)新相輔相成,兩者的融合不斷提升“建物致知”的能級(jí)。一方面,實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化水平的提升、人工智能的運(yùn)用使基于黑箱模型的生命系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建能力得到顯著進(jìn)步,為解析結(jié)構(gòu)相變、功能涌現(xiàn)的原理提供了關(guān)鍵線索。另一方面,跨層級(jí)的功能涌現(xiàn)研究逐步向系統(tǒng)化、定量化邁進(jìn),又促進(jìn)了假說驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研究范式的深度融合,加深了對(duì)生命系統(tǒng)復(fù)雜性的理解。

脫氧核糖核酸(DNA)存儲(chǔ)能力的增強(qiáng),是基因組“讀”“寫”技術(shù)的綜合體現(xiàn)。近年來,研究人員已將10幅敦煌壁畫信息寫入DNA中,并利用基于德布萊英圖理論設(shè)計(jì)的序列重建方法解決了DNA斷裂等問題[1]。通過光遺傳學(xué)技術(shù)的運(yùn)用,已經(jīng)可以捕獲空間信息,并將信息作為輸入信號(hào)儲(chǔ)存到活細(xì)胞的DNA[2]。2023年,國(guó)際“酵母基因組合成計(jì)劃”(Sc2.0計(jì)劃)已經(jīng)完成酵母16條染色體和1條特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸(tRNA)全新染色體的設(shè)計(jì)與合成[3]①。

① Researchers assemble nine synthetic yeast chromosomes. (2023-11-08) [2024-04-23]. https://nyulangone.org/news/researchersassemble-nine-synthetic-yeast-chromosomes.

隨著人工智能的廣泛運(yùn)用,在加速基因組“讀”“寫”“編”能力的同時(shí),開辟了分子建模和預(yù)測(cè)的新方向,提高了元件設(shè)計(jì)的效率和精準(zhǔn)度,拓展了新型生物元件開發(fā)的空間。從頭開始的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種成熟且實(shí)用的工具,并廣泛運(yùn)用于酶和蛋白的定制設(shè)計(jì)中;機(jī)器學(xué)習(xí)的引入為序列、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)聯(lián)構(gòu)建提供了深入的理解,推動(dòng)基于結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)算法取得顯著進(jìn)步。例如,擴(kuò)散模型此前主要用于基于文本生成圖像的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中,如今該算法已擴(kuò)展到生物學(xué)領(lǐng)域,用于從海量的真實(shí)結(jié)構(gòu)中識(shí)別并消除噪聲、辨別結(jié)構(gòu)元素[4];人工智能公司DeepMind發(fā)布的新一代模型AlphaFold-latest,能夠?qū)崿F(xiàn)配體(小分子)、蛋白質(zhì)、核酸、翻譯后修飾的生物分子等結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)②,另一模型AlphaMissense則能夠利用蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)信息,識(shí)別致病的錯(cuò)義突變和未知的致病基因序列[5]。

② A glimpse of the next generation of AlphaFold. (2023-10-31)[2024-04-23]. https://deepmind.google/discover/blog/a-glimpse-of-thenext-generation-of-alphafold/.

在賦能元件設(shè)計(jì)的同時(shí),人工智能與自動(dòng)化平臺(tái)的結(jié)合極大地增強(qiáng)了理性設(shè)計(jì)的能力。這些使能技術(shù)不僅提升了發(fā)現(xiàn)全新無機(jī)化合物的能力[6],而且顯著提升了化合物的合成速度和準(zhǔn)確性[7]。與以往需要數(shù)月才能完成的合成相比,集成平臺(tái)可將工作時(shí)間縮短至1天。

2 “建物致用”的拓展,為人類社會(huì)的全面發(fā)展提供強(qiáng)大動(dòng)力

合成生物學(xué)相關(guān)工具和技術(shù)的應(yīng)用為化工、材料、醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等諸多領(lǐng)域的發(fā)展帶來了全新的解決方案。

2.1 生物制造領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來,生物制造成為各國(guó)共同關(guān)注并大力發(fā)展的領(lǐng)域。2023年,我國(guó)《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“推動(dòng)合成生物學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,突破生物制造菌種計(jì)算設(shè)計(jì)、高通量篩選、高效表達(dá)、精準(zhǔn)調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)”③。美國(guó)發(fā)布《推動(dòng)生物技術(shù)和生物制造創(chuàng)新以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、安全和可靠的美國(guó)生物經(jīng)濟(jì)》行政令,提出發(fā)展可持續(xù)、安全和有保障的生物經(jīng)濟(jì),并啟動(dòng)超過20億美元支持生物技術(shù)和生物制造的國(guó)家計(jì)劃④。

③ 國(guó)家發(fā)展改革委印發(fā)《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》. (2022-05-10)[2024-04-23]. https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/ghwb/202205/P020220920618304472104.pdf.

④ Executive order on advancing biotechnology and biomanufacturing innovation for a sustainable, safe, and secure American bio‐ economy. (2022-09-12) [2024-04-23]. https://www.whitehouse.gov/briefing-room/presidential-actions/2022/09/12/executive-orderon-advancing-biotechnology-and-biomanufacturing-innovation-for-a-sustainable-safe-and-secure-american-bioeconomy/.

生物基化學(xué)品與生物材料作為生物制造的核心產(chǎn)品,其原料來源廣泛,包括纖維素、農(nóng)業(yè)廢棄物、二氧化碳等,在可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。2023年,研究人員利用多重CRISPR基因編輯技術(shù),成功改良了木質(zhì)原料的木質(zhì)素成分和木材特性,為生物制造領(lǐng)域提供了更多可持續(xù)利用的原材料[8]。同時(shí),預(yù)處理和發(fā)酵流程的綜合優(yōu)化,使得木薯皮廢料能高效轉(zhuǎn)化為生物基材料[9]。值得一提的是,我國(guó)研究人員在全球范圍內(nèi)率先利用合成生物技術(shù)耦合化學(xué)催化技術(shù),實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成[10]。

在原料開發(fā)取得突破的同時(shí),生物基產(chǎn)品的開發(fā)也取得令人矚目的進(jìn)展。例如,Conagen公司實(shí)現(xiàn)了99%純度的紅景天苷、高純度的蘿卜硫素、維生素K2、二氫白藜蘆醇以及稀有染料骨螺紫等的商業(yè)化生產(chǎn);LanzaTech公司等利用無細(xì)胞制造、二氧化碳生物轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)了高值化學(xué)品的生產(chǎn)[11]。

2.2 醫(yī)藥健康領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)藥健康領(lǐng)域,合成生物學(xué)的運(yùn)用賦能了工程化智能細(xì)胞、活菌療法、基因治療、新型疫苗、新型診斷、藥物合成等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展[12]。

合成生物學(xué)與人工智能的融合運(yùn)用,為患者提供了更有效、精確和個(gè)性化的治療方案[13]?;诶硇栽O(shè)計(jì)的診治中:①在底盤細(xì)胞利用方面,研究人員成功利用腫瘤定植菌引導(dǎo)并增強(qiáng)了嵌合抗原受體T細(xì)胞(CAR-T細(xì)胞)的募集[14],新型工程菌已用于直腸癌和腸道癌檢測(cè)[15];②在細(xì)胞與基因治療方面,Beam Therapeutics公司的基因編輯藥物、Codagenix公司的工程化細(xì)胞療法、Synlogic公司的工程菌等產(chǎn)品已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段,英國(guó)藥品和醫(yī)療保健產(chǎn)品監(jiān)管局(MHRA)與美國(guó)食品藥品管理局(FDA)先后批準(zhǔn)了Vertex Pharmaceuticals公司和CRISPR Therapeutics公司研究開發(fā)的CRISPR/Cas9基因編輯療法Casgevy的上市⑤。

⑤ SaponiQx advances vaccine development with the availability of cGMP QS-21 from its proprietary cultured plant cell source. (2023-10-10) [2024-04-23]. https://www.businesswire.com/news/home/20231009336296/en/SaponiQx-Advances-Vaccine-DevelopmentWith-the-Availability-of-cGMP-QS-21-From-Its-Proprietary-Cultured-Plant-Cell-Source; Primordial genetics launches highperformance RNA Polymerases. (2023-02-23) [2024-04-23]. https://www.prnewswire.com/news-releases/primordial-geneticslaunches-high-performance-rna-polymerases-301752643.html.

在藥物研發(fā)、臨床應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面,青蒿酸的人工細(xì)胞工廠合成堪稱21世紀(jì)初奠定合成生物學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)并展示其賦能生物技術(shù)潛力的標(biāo)志性成果[16]。此后,由于這一領(lǐng)域巨大的潛在應(yīng)用前景及實(shí)現(xiàn)突破面臨的重大挑戰(zhàn),天然化合物人工細(xì)胞工廠合成逐漸成為合成生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,創(chuàng)新成果層出不窮[17]。例如,研究人員通過構(gòu)建高產(chǎn)萜類化合物的解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica),使角鯊烯的滴度增加了1 300倍[18]。Amyris公司開發(fā)的半生物合成疫苗級(jí)角鯊烯的方法,不僅達(dá)到千克級(jí)的合成要求,產(chǎn)物質(zhì)量完全符合《歐洲藥典》標(biāo)準(zhǔn)[19]。國(guó)內(nèi)外一批制藥企業(yè),如Double Rainbow公司、Demetrix公司、伊犁川寧生物技術(shù)股份有限公司、普利制藥股份有限公司等,也實(shí)現(xiàn)了天麻素、醫(yī)用大麻素、紅景天苷等產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)[11]。

紫杉醇生物合成途徑解析和合成方面的進(jìn)展是通過人工底盤細(xì)胞重構(gòu)并解析復(fù)雜天然化合物生物合成途徑方面“建物致知”策略的成功案例,也將為天然化合物合成生物制造開辟“建物致用”的新前景。紫杉醇是人類迄今為止開發(fā)的最有效的、來自天然植物產(chǎn)物的抗癌藥物之一,其異常復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其生物合成途徑解析研究進(jìn)展緩慢。在過去數(shù)十年里,歐美國(guó)家解析了其生物合成途徑中涉及的多個(gè)細(xì)胞色素P450單加氧酶、?;D(zhuǎn)移酶和變位酶等[20-22],但仍因部分關(guān)鍵功能基因的缺位,導(dǎo)致其全路徑生物合成解析未能完成。經(jīng)過10余年堅(jiān)持不懈的努力,我國(guó)科學(xué)家利用酵母和煙草底盤細(xì)胞合成平臺(tái),匯聚有機(jī)化學(xué)和計(jì)算科學(xué),整合基因組學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)的技術(shù)手段,成功挖掘并表征了部分已知生物元件的新功能,發(fā)現(xiàn)并解析了若干新的關(guān)鍵催化酶,實(shí)現(xiàn)了紫杉醇核心骨架的完整生物路線解析[23],并在煙草中通過最少基因?qū)崿F(xiàn)了生物合成[24]。這些研究突破為闡明完整的紫杉醇生物合成途徑奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 食品領(lǐng)域的應(yīng)用

利用合成生物學(xué)技術(shù),可以設(shè)計(jì)和構(gòu)建出具有高效合成特定食品原料或組分能力的細(xì)胞工廠,確保食品的高質(zhì)量供給,降低對(duì)環(huán)境資源的依賴和使用,不僅提高了生產(chǎn)效率,還能改良食品的營(yíng)養(yǎng)與風(fēng)味[25]。未來,合成生物技術(shù)的進(jìn)步有望提升包括透明質(zhì)酸、母乳寡糖等天然產(chǎn)物的生產(chǎn)能力,從而推動(dòng)營(yíng)養(yǎng)成分產(chǎn)量的提升,突破工藝瓶頸。同時(shí),隨著質(zhì)構(gòu)仿真、營(yíng)養(yǎng)優(yōu)化、風(fēng)味調(diào)節(jié)等方面的技術(shù)進(jìn)步,新植物資源食品在營(yíng)養(yǎng)、風(fēng)味與口感等多方面都將得到優(yōu)化和提升。

植物肉作為更環(huán)保低碳的蛋白質(zhì)來源,正逐漸受到食品行業(yè)的關(guān)注。研究人員發(fā)現(xiàn),植物蛋白經(jīng)過物理交聯(lián)轉(zhuǎn)化為微凝膠后,其潤(rùn)滑性得到顯著提升,改善了植物肉的口感[26]。研究人員利用僅編輯已有基因、無需引入外源基因的策略,成功培育出能夠自身產(chǎn)生生長(zhǎng)因子的牛肌肉細(xì)胞[27]。多家企業(yè)已成功推出獲批上市的產(chǎn)品,包括Eat Just公司研發(fā)的細(xì)胞培養(yǎng)雞肉、Remilk公司推出的無動(dòng)物牛奶“Cow-Free”、Solar Foods公司利用微生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)的替代蛋白Solein?等。

2.4 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

合成生物學(xué)技術(shù)有望解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨的資源限制和生產(chǎn)瓶頸,提供革命性的解決方案,如改善光合作用效率、生物固氮能力、生物抗逆性、生物催化問題等。同時(shí),創(chuàng)制高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的新品種和開發(fā)節(jié)能減排、安全環(huán)保的新工藝,培育和推動(dòng)細(xì)胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等新業(yè)態(tài)發(fā)展[28]。

在作物育種方面,合成生物學(xué)的方法為育種學(xué)家?guī)砹藟?mèng)寐以求的研究突破,即顯著提升了光合效率。盡管光合作用需要光,但當(dāng)光強(qiáng)超過光合作用所能利用的量時(shí),會(huì)產(chǎn)生高能自由基,導(dǎo)致光破壞;植物在自然選擇中進(jìn)化出一種光保護(hù)機(jī)制,通過以熱的形式耗散光能來減輕光破壞[29]。然而,這種機(jī)制對(duì)于作物產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng),這是因?yàn)榇筇镏腥~片接收的光照時(shí)刻在變化,當(dāng)作物從高光轉(zhuǎn)到低光時(shí),光保護(hù)轉(zhuǎn)換速度會(huì)限制作物的光合效率及產(chǎn)量[30]。針對(duì)這一問題,美國(guó)伊利諾伊大學(xué)研究人員利用合成生物學(xué)的方法,通過過表達(dá)影響光能熱耗散的3個(gè)基因,成功加快了在光強(qiáng)變化時(shí)植物光保護(hù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變速度,并首先在煙草中實(shí)現(xiàn)光合效率、生物量及產(chǎn)量的提升[31]。此后,該技術(shù)在大豆中進(jìn)行應(yīng)用,又實(shí)現(xiàn)20%以上的大豆增產(chǎn),在產(chǎn)量最高的區(qū)域增產(chǎn)達(dá)33%,并且沒有影響大豆質(zhì)量[32]。鑒于光保護(hù)機(jī)制在高等植物中的高度保守性,該改造策略被認(rèn)為是當(dāng)代作物增產(chǎn)的一條通用途徑。盡管在煙草、大豆中,改造光保護(hù)機(jī)制提高了光合效率、生物量及產(chǎn)量,但在一些植物中并沒有產(chǎn)生預(yù)期的增產(chǎn)效果[33, 34]。因此,針對(duì)光保護(hù)機(jī)制的研究已經(jīng)成為當(dāng)前植物合成生物學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)之一。2023年,我國(guó)研究人員開發(fā)的大片段DNA精準(zhǔn)定點(diǎn)插入新工具PrimeRoot,該工具實(shí)現(xiàn)了在水稻和玉米中長(zhǎng)達(dá)11.1×103個(gè)堿基對(duì)的大片段DNA高效且精準(zhǔn)的定點(diǎn)插入,其效率可達(dá)6%[35]。此外,研究人員還利用合成生物學(xué)技術(shù),將水稻種子的油脂含量從2.3%提升至11.7%,單粒種子油脂含量提升至1毫克[36]。

在產(chǎn)品上市審批方面,2023年,英國(guó)政府頒布的《基因技術(shù)(精準(zhǔn)育種)法案》允許在英格蘭地區(qū)使用基因編輯等技術(shù)改變生物體的遺傳密碼,使植物獲得抗旱、抗病等能力;同時(shí),該方案也允許通過基因編輯等技術(shù)對(duì)動(dòng)物進(jìn)行精準(zhǔn)育種⑥。這些經(jīng)過精準(zhǔn)育種技術(shù)培育的動(dòng)物、植物將不再受到英國(guó)對(duì)基因改造生物(GMOs)監(jiān)管要求的約束,標(biāo)志著歐洲在基因編輯和精準(zhǔn)育種領(lǐng)域政策的重要轉(zhuǎn)變。2023年底,我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的第732號(hào)公告與739號(hào)公告中,包括51個(gè)轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆品種等通過國(guó)家品種審定⑦,并首次批準(zhǔn)發(fā)放了26家企業(yè)的轉(zhuǎn)基因玉米、大豆種子生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)許可證⑧。這一系列舉措標(biāo)志著我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化種植即將進(jìn)邁入新的階段,有望推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展。

⑥ Genetic technology (precision breeding) act 2023. (2023-03-27)[2024-04-23]. https://bills.parliament.uk/bills/3167.

⑦ 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公告第732號(hào). (2023-12-07)[2024-04-23]. http://www.moa.gov.cn/govpublic/nybzzj1/202312/t20231207_6442285.htm.

⑧ 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公告第739號(hào). (2023-12-25) [2024-04-23]. http://www.moa.gov.cn/govpublic/nybzzj1/202312/t20231226_6443490.htm.

2.5 環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

元件進(jìn)化、單細(xì)胞重構(gòu)、合成微生物組等應(yīng)用,為應(yīng)對(duì)當(dāng)前環(huán)境挑戰(zhàn)提供了強(qiáng)有力的解決方案,并為開發(fā)生物傳感器、提高生物修復(fù)效能提供了重要支撐。

聚對(duì)苯二甲酸乙酯(PET)是一種常見但不易自然降解的塑料,廣泛應(yīng)用于制造塑料瓶和紡織品。研究人員成功開發(fā)出全細(xì)胞生物催化劑,能夠利用快速生長(zhǎng)、無致病性、中等嗜鹽性的營(yíng)養(yǎng)弧菌,在海水環(huán)境中解聚PET[37]。此外,研究人員還創(chuàng)新設(shè)計(jì)了馬鈴薯劑量開關(guān),利用植物的天然DNA損傷反應(yīng)機(jī)制來產(chǎn)生熒光輸出,構(gòu)建的植物傳感器可用于檢測(cè)低劑量的電離輻射[38]。

目前,生物合成產(chǎn)品的環(huán)境釋放案例尚不多見,其中一個(gè)典型代表是Oxitec公司研發(fā)的轉(zhuǎn)基因蚊。該轉(zhuǎn)基因蚊釋放的審批過程涉及釋放的環(huán)境評(píng)估、釋放地政府的嚴(yán)格審查,包括技術(shù)的科學(xué)評(píng)估及釋放區(qū)域的公眾參與等。從整體上看,基于合成生物學(xué)的環(huán)境檢測(cè)與生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用在廣泛性、空間適應(yīng)性、生物安全等方面仍面臨挑戰(zhàn)。未來的應(yīng)用與發(fā)展需要更加關(guān)注生物傳感與環(huán)境檢測(cè)、污染物多靶點(diǎn)和細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)、微生物改造和污染物生物降解、人工多細(xì)胞系統(tǒng)構(gòu)建和生物修復(fù)等方面[39]。

在環(huán)境評(píng)估方面,歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心對(duì)98種新興生物基材料及其對(duì)應(yīng)的化石基材料進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示,生物基材料的碳足跡比化石基材料平均降低了45%,但沒有任何材料制作的產(chǎn)品能達(dá)到凈零排放的要求,且生物基產(chǎn)品還存在增加土地富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一發(fā)現(xiàn),該團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)了全面評(píng)估單個(gè)生物基產(chǎn)品環(huán)境可持續(xù)性的重要性[40]。另外,對(duì)遺傳改造生物的環(huán)境釋放監(jiān)管應(yīng)采取審慎的態(tài)度,需要系統(tǒng)分析種群動(dòng)態(tài)及多樣性、種群范圍、宿主行為、生物學(xué)等因素。為滿足實(shí)驗(yàn)室研究、實(shí)地研究、釋放準(zhǔn)備等不同階段的精細(xì)化監(jiān)管要求,應(yīng)構(gòu)建更加綜合且全面的環(huán)境評(píng)估體系。

3 會(huì)聚生態(tài)的構(gòu)建,為合成生物學(xué)的賦能提供創(chuàng)新環(huán)境 3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

為了推動(dòng)生物技術(shù)革命,提升人類自身能力,并充分釋放合成生物學(xué)賦能的潛質(zhì),需要重新審視目前的研發(fā)體系,革新現(xiàn)有的組織管理模式,并促進(jìn)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的建立。這樣才能確保產(chǎn)—學(xué)—研的合作機(jī)制、監(jiān)管政策等與合成生物學(xué)領(lǐng)域的會(huì)聚特點(diǎn)與賦能潛質(zhì)相契合。

為推動(dòng)未來生物經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,歐美各國(guó)紛紛制定合成生物學(xué)發(fā)展路線圖,以加強(qiáng)該領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局。美國(guó)于2023年發(fā)布《生物技術(shù)與生物制造宏大目標(biāo)》,以響應(yīng)2022年美國(guó)總統(tǒng)簽署的行政令。該報(bào)告在優(yōu)化氣候變化解決方案、提升食品生產(chǎn)供給能力、提高產(chǎn)業(yè)鏈與供應(yīng)鏈彈性、促進(jìn)生命健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展及推進(jìn)交叉領(lǐng)域發(fā)展5個(gè)核心領(lǐng)域,提出49個(gè)具體目標(biāo)和21個(gè)發(fā)展方向⑨。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),該報(bào)告明確提出:20年內(nèi),生物基替代品至少取代90%以上的塑料和商業(yè)聚合物的使用;通過生物制造方式滿足至少30%的化學(xué)品需求;利用合成生物學(xué)、生物制造和工程化生物的手段擴(kuò)大細(xì)胞療法規(guī)模,并將制造成本降低10倍;在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)種微生物的基因組測(cè)序,并至少了解80%新發(fā)現(xiàn)基因的功能。

⑨ Bold Goals for U.S. Biotechnology and Biomanufacturing. [2024-04-23]. https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2023/03/BoldGoals-for-U.S.-Biotechnology-and-Biomanufacturing-Harnessing-Research-and-Development-To-Further-Societal-Goals-FINAL.pdf.

為實(shí)現(xiàn)生物經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略目標(biāo),除技術(shù)研發(fā)外,構(gòu)建合理的治理體系同樣至關(guān)重要。與基因工程技術(shù)相比,合成生物學(xué)的會(huì)聚程度更高、賦能能力更強(qiáng);利用合成生物學(xué)技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品的類型更多,涉及的產(chǎn)業(yè)類型更廣;產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)更精準(zhǔn),具有更高階的關(guān)鍵工藝參數(shù),或需要更先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù),這也使得產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性、一致性測(cè)試或評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)規(guī)范或理念受到挑戰(zhàn)。因此,合成生物學(xué)時(shí)代的監(jiān)管面臨越來越多、越來越復(fù)雜的難題,需要分門別類地對(duì)各領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)、標(biāo)準(zhǔn)體系、倫理審查、安全指南、產(chǎn)品準(zhǔn)入、市場(chǎng)監(jiān)管等進(jìn)行分析,探索適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的協(xié)同機(jī)制[41]。①醫(yī)藥領(lǐng)域。細(xì)胞與基因治療產(chǎn)品因其在體內(nèi)具有一定的復(fù)制能力,需要完善的有效性(高期望性)、安全性(不確定性或高風(fēng)險(xiǎn)性)、穩(wěn)定性(一致性)的科學(xué)評(píng)價(jià)與監(jiān)管方法。FDA于2024年1月發(fā)布了關(guān)于《基因編輯療法和CAR-T療法開發(fā)指南》⑩,該指南明確了FDA對(duì)使用加速批準(zhǔn)通道支持基因編輯療法開發(fā)的立場(chǎng),闡述了對(duì)療法的化學(xué)、生產(chǎn)和控制(CMC),臨床前研究和臨床試驗(yàn)等多個(gè)方面的思考;同時(shí),提供了關(guān)于CAR-T細(xì)胞產(chǎn)品的CMC、藥理學(xué)、毒理學(xué)與臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)的具體建議,以及針對(duì)表達(dá)多個(gè)轉(zhuǎn)基因元件的CAR-T細(xì)胞的效力、穩(wěn)定性研究與臨床監(jiān)測(cè)的細(xì)節(jié)建議。2021年,我國(guó)政府陸續(xù)發(fā)布了試行的相關(guān)指導(dǎo)原則?,為免疫細(xì)胞治療與基因修飾細(xì)胞治療的相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)提供重要的配套政策支持,也為相關(guān)產(chǎn)品的審批和廣泛應(yīng)用提供了明確的指導(dǎo)和依據(jù)。②食品領(lǐng)域。利用合成生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)的、原先已上市的植物來源或天然來源的食品原料成分,可能在食品原料雜質(zhì)檢測(cè)或評(píng)估等方面或與傳統(tǒng)方法有所不同。對(duì)該類產(chǎn)品的監(jiān)管既需要與現(xiàn)有監(jiān)管政策進(jìn)行銜接,也需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品特點(diǎn)適度加以更新。2023年10月,我國(guó)首次批準(zhǔn)母乳低聚糖(HMO)作為“食品營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑”,允許其添加到調(diào)制乳粉(僅限兒童用乳粉)、嬰兒配方食品、較大嬰兒和幼兒配方食品,以及特殊醫(yī)學(xué)用途嬰兒配方食品中?。這將有助于推動(dòng)合成生物學(xué)在功能性食品添加劑領(lǐng)域的研發(fā)與創(chuàng)新,促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

⑩ Human gene therapy products incorporating human genome editing. [2024-04-23]. https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/human-gene-therapy-products-incorporating-human-genome-editing; Considerations for the devel opment of chimeric antigen receptor(CAR) T cell products. [2024-04-23]. https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fdaguidance-documents/considerations-development-chimeric-antigen-receptor-car-t-cell-products.

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3.2 政策建議

為進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)合成生物學(xué)科技與產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,建議圍繞國(guó)家戰(zhàn)略需求,著眼國(guó)家未來競(jìng)爭(zhēng)力,結(jié)合合成生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)展規(guī)律和趨勢(shì),制定相應(yīng)的中長(zhǎng)期規(guī)劃和發(fā)展路線圖,凝練關(guān)鍵科學(xué)問題,明確重點(diǎn)領(lǐng)域和優(yōu)先方向。

(1)聚焦前沿,勇闖新路。研究不能總是跟著他人的腳步做延長(zhǎng)線的工作,而應(yīng)積極尋求創(chuàng)新和突破??梢岳枚亢铣缮飳W(xué)的手段,結(jié)合基于大數(shù)據(jù)的人工智能,推動(dòng)生命科學(xué)理論研究的發(fā)展。

(2)需求牽引,突破瓶頸。從我國(guó)合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)和生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求出發(fā),組織實(shí)施以產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)需求為導(dǎo)向的重大科技任務(wù)攻關(guān),重點(diǎn)攻克未來影響國(guó)家安全、影響國(guó)家重大戰(zhàn)略目標(biāo)的核心技術(shù)。

(3)多方支持,打通全鏈。合成生物學(xué)技術(shù)要有效轉(zhuǎn)化為實(shí)際的生產(chǎn)力,不僅需要政府、企業(yè)、基金會(huì)等多方的支持與投入,還需要探索構(gòu)建項(xiàng)目、平臺(tái)、人才、資金等全要素一體化配置的創(chuàng)新服務(wù)體系,建立平臺(tái)化支撐、企業(yè)化管理、市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)的科技支撐和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化模式[42],營(yíng)造良好的科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生態(tài)環(huán)境,才能確保從技術(shù)研發(fā)的“最先一公里”到實(shí)際應(yīng)用的“最后一公里”能夠高效、順暢地銜接,真正實(shí)現(xiàn)合成生物學(xué)技術(shù)的價(jià)值轉(zhuǎn)化,促進(jìn)生產(chǎn)力提升。

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Ma Y, Wang Z, Xue H, et al. Comparative analysis of scientific and technological strategic planning and industrial development of synthetic biology among China, Britain and America. Chinese Bulletin of Life Sciences, 2021, 33(12): 1560-1566. (in Chinese)

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網(wǎng)址: Synthetic biology enablement: From academic development to industrial transformation http://www.u1s5d6.cn/newsview439792.html

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