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科技日报专版:合成生物技术:2050年领跑世界

2017-03-14 点击数:      

  
  《科技日报》(2017年03月14日09版)
  
  本报讯(记者 蒋秀娟 冯国梧)如今,在生物制造技术方面,合成生物技术已经成为绿色生物制造产业高速发展的引擎。利用合成生物技术改变传统的工业生产方式,将减少对自然资源的依赖,以更小的环境代价获得高经济产出,破解资源、能源、健康、环境、安全等重大难题。
  在我国的“十三五”科技创新战略规划中,合成生物技术已被列为重点发展方向,到2020年,我国将在该领域初步建立起合成生物技术的创新体系,在一些核心关键技术上进行突破,培育形成相关的合成生物技术产业,实现由部分“并跑”向整体“并跑”、部分“领跑”突破。
  “非生命的化学物质通过设计合成再造出新的生命体,已经在实验室里实现了。”最近,天津大学化工学院教授元英进有点儿兴奋,历经5年“默默无闻”的奋斗,两条酿酒酵母人工染色体终于被成功合成。
  “酿酒酵母是第一个被全基因组测序的真核生物,化学合成酵母一方面可以帮助人类更深刻地理解一些基础生物学的问题,另一方面可以通过基因组重排系统(SCRaMbLE),实现快速进化,得到在医药、能源、环境、农业、工业等领域有重要应用潜力的菌株。”元英进解释说,“通过基因组合成研究检验人类当前对基因组的所有认识,将进一步加强我们对生命过程的调节和控制能力,提升人类改造生命甚至创造生命的能力。”
  目前,国际上普遍认为,以基因组设计合成为标志的合成生物学是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后,即将引发的第三次生物技术革命,可望在人类健康、环境、能源、农业等领域产生革命性影响。
  作为引领生物技术产业化发展的核心颠覆性技术,合成生物技术无疑将对我国经济社会发展产生重大影响,同时也是我国面向世界科技前沿、占领新兴产业制高点的必然选择。为此,我国制定了合成生物技术“三步走”战略规划,到2050年,将全面发挥合成生物技术的引领作用,使我国进入该领域世界强国之列。
  迎来“生物化”技术革命
  合成生物技术是对天然或人工生物元器件进行设计组合,获得重构或非天然的新生命系统的技术,即有目的的设计、改造乃至重新合成生命体,包括设计构建新型人工生物元器件、人工基因组、人工细胞等,是典型的生物学与工程学、信息学、材料学等多学科交叉融合的新兴技术,广泛应用于生物制造、生物医药、农业、资源环境等领域。
  科学家们认为,合成生物技术突破了生命发生与进化的自然法则,推动了生命科学由解读生命到编写生命的跨越。麦肯锡咨询公司将该技术评价为未来的十二大颠覆性技术之一;2014年,美国国防部将其列为21世纪优先发展的六大颠覆性技术之一;英国商业创新技能部将合成生物技术列为未来的八大技术之一;我国在2014年完成的第三次技术预测中,将合成生物技术列为十大重大突破类技术之一。
  如今,在生物制造方面,合成生物技术已经成为绿色生物制造产业高速发展的引擎。利用合成生物技术改变传统的工业生产方式,将减少对自然资源的依赖,以更小的环境代价获得高经济产出,破解资源、能源、健康、环境、安全等重大难题。比如,美国杜邦公司曾构建人工细胞工厂生产重大化学品,能耗和温室气体排放均降低40%;美国科学家曾成功构建人工细胞工厂生产青蒿素,100立方米工业发酵罐的产能就相当于5万亩的农业种植,大幅降低了生产成本和对自然资源的依赖。
  未来,通过基因组设计合成的研究,还能够进一步深入认识基因组对生命的调控机制,从而为新型生物学治疗方法、疫苗、材料、疾病控制和营养学等方面的基础性研究提供强有力的支撑,在生命科学领域,可望构建超安全细胞、修复癌症细胞基因组、抵抗衰老等,实现对现有健康产业的颠覆,快速形成以基因组合成带动的新型生物产业,尤其是针对重大复杂疾病,有望形成万亿级医疗健康产业和千亿级企业的新业态。
   从默默无闻到“世界第二”
  相较于2002年美国就开启了DNA寡聚物合成基因组时代,我国在基因组设计合成领域起步较晚,在前期的病毒和原核生物基因组合成方面,基本没有中国科学家的声音。
  2006年,合成生物技术研究被列入国家863计划。2012年,依托于国家863计划“合成生物技术”重大项目,天津大学、清华大学和华大基因与美国联合推动了真核生物酵母人工基因组合成(Sc2.0)国际合作计划。目前我国科学家已人工合成16条真核生物酿酒酵母染色体中的4条,占国际已完成数量的66.7%。这意味着我国已经成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家,这不仅使我国在该领域形成了一系列人工合成的突破性技术和成果,也使我国进入了国际合成生物技术领域的第一梯队,由“跟跑”阶段进入“并跑”阶段。
  在合成生物技术领域,我国取得了一系列突破性成果,包括:发展了多级模块化和标准化基因组合成方法,实现了由小分子核苷酸到活体真核染色体的定制精准合成;创建了基因组缺陷靶点快速定位与精确修复方法,解决了全合成基因组导致细胞失活的难题;建立了基于多靶点片段共转化的基因组精确修复技术和DNA大片段重复修复技术,首次实现了人工基因组合成序列与设计序列的完全匹配;通过人工基因组中设计的特异标签实现对细胞分裂过程中染色体变化的追踪和分析,为研究当前无法治疗的染色体成环疾病发生机理和潜在治疗手段建立了研究模型。
  在生物制造及相关的产业应用方面,我国科学家也取得了一系列应用成果:创建和优化了一系列具有自主知识产权的人工细胞工厂,高效地生产药物和大宗化学品等;研究培养的人工微生物菌群定向激活了稠油死井,并在中石油克拉玛依、大庆等多个油田推广应用;通过设计构建人工基因线路,建立了首个膀胱癌全新干预方案;通过设计极端修复和抗逆系统,显著提高了植物对干旱、盐碱及高寒等逆境的抗性。
  一鼓作气向“领跑”突破
  如今,全球该领域的顶级科学家每年都要聚在一起,闭门研究和探讨这一领域未来的发展方向和课题。
  “下一步,国际合成生物领域的目标,将是多细胞生物的化学再造以及在各个领域的应用。”元英进建议,“相应地,我国需提前进行科学顶层布局,同步推进基础研究和产业化应用,占领新兴产业制高点。”作为国家863计划“合成生物技术”重大项目的首席科学家,元英进最早参与并推动了Sc2.0国际合作计划,在3月10日的国际顶级学术期刊《科学》的封面上,发表了两篇以他为通讯作者的有关酿酒酵母染色体化学合成的学术论文。
  目前,在基础研究领域,我国原创理论和原创发现还比较缺乏。在产业发展领域,以美国为代表的西方等发达国家正逐步形成以合成生物技术为支撑的新型经济业态,我国合成生物技术产业尚处于初级阶段,正在形成规模化态势。专家们建议,国家需尽早进行顶层设计布局,凝练若干个优势领域方向,在基础研究、关键技术突破、产业引导等方面加大投入,布局建设国家生物信息中心和国家级研究中心,为基因组合成设计研究提供基础保障,尽早形成技术优势和人才优势。
  记者了解到,在我国的“十三五”科技创新战略规划中,合成生物技术已被列为重点发展方向,到2020年,我国将在该领域初步建立起合成生物技术的创新体系,在一些核心关键技术上进行突破,培育形成相关的合成生物技术产业,实现由部分“并跑”向整体“并跑”、部分“领跑”突破。到2030年,将基本形成较完整的合成生物技术创新体系,合成生物产业初具规模,国际竞争力大幅提升。
 
 
听TA说:Sc2.0计划 是基因组编写计划重要基础

  近期,我国有4篇关于真核生物酿酒酵母染色体合成的论文在国际顶级学术期刊《Science》上发表,这是我国在真核生物人工基因组设计与合成研究领域取得的突破性进展,意味着我国已经掌握了单细胞真核生物基因组的设计合成技术,并为下一步在多细胞生物的化学合成领域实现新的突破奠定了基础。

  目前,合成生物技术已经成为各发达国家抢占未来战略性新兴产业制高点的必争之地。该领域的研究将为传统生物制造产业的转型升级提供支撑,为生物医药、农业、资源环境等领域发展提供强大原动力。美国和英国分别在基因组设计合成领域设立了一批大型国家级研究中心,将在后续的基因组合成国际计划中发挥非常积极的作用。

  2010年之前我国尚未完全接触该领域,到如今我国已经成为第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家。我们课题组完成第一条染色体合成时用了整整5年时间,而完成第二条染色体时才用了不到两年时间,越来越高效的染色体合成一方面源于我们创造了许多新的方法和专利技术,另一方面也凸显出中央创新驱动发展战略大背景下,新科研体制和新科研环境下催生的“中国速度”。

  目前,我国在基因组设计合成领域的研究群体还比较有限,与此同时我国在该领域的科学家总体数量较少,领军科学家较少,青年科学家尚未形成后续规模,人才梯队的总体结构需进一步优化。我国需进一步加大基因组设计合成新兴领域各层级科学家的培养,引导和支持研究人员聚焦方向、整合资源,尽早形成和保持我国在基因组合成设计研究的技术优势和人才优势。

  可以说,Sc2.0计划的实施是基因组编写计划(GP-write)的重要基础。多国组成大型国际联合团队使突破重大科学问题和技术难题具有必然性,我国的研究者在本次国际计划中发挥了举足轻重的作用。在这个过程中,我们培养了一批具有国际视野的拔尖创新青年人才,我国的基因组设计合成能力也提升到了前所未有的高度。这批文章的刊出也意味着我国科学家在基因组设计合成领域实现了从追随到领先,从跟跑、并跑到领跑的转折,也必将进一步提升我国科学家在世界科技前沿舞台上竞争的信心和决心。

 

 

番茄红素: 在面包酵母中的生物合成

  本报记者蒋秀娟 番茄红素是植物中所含的一种天然色素,因最早从番茄中分离提取而得名。番茄红素的抗氧化活性是维生素E的100倍,不仅利于抗癌抑癌,且在增强免疫、预防心血管疾病和延缓衰老等方面也有奇效,是一种极具发展前景的新型功能性天然色素。

  据了解,目前大部分的番茄红素生产主要依赖于植物提取或者霉菌发酵。前者会占用大量土地,并且容易受到季节和地域限制;而后者因发酵周期长且需要加入化学阻断剂,成本较高同时存在食品安全隐患。正因如此,番茄红素微生物生产是一个挑战和机遇并存的广阔天地。

  不过如今,科学家们已经实现了番茄红素在面包酵母中的生物合成,成功诠释了从生产菌株到生产方式的绿色环保。据天津大学生物合成研究团队肖文海研究员介绍,早在2012年初,他们就瞄准了番茄红素的巨大需求,选择食品安全的面包酵母作为生产菌,以合成生物技术为手段,经过近3年的攻关,在2015年底成功获得了第一代高效番茄红素生产菌。

  从2015年底至今,该团队又创造性地在第一代生产菌的基础上,攻克另外两项关键技术,开发出了第二代生产菌。该菌种中番茄红素的丰度与第一代菌种相比提高了20%,发酵周期缩短了15%,同时还给菌种贴上了“防伪标签”。

  由于发酵周期短、纯度高,人工番茄红素受到了国内多家企业亲睐,产业化前景广阔。据透露,天津大学实验团队目前已和生物技术公司签订了合作协议,正在进行中试转化,有望在2018年实现产业化。

  “我们期待着第二代番茄红素生产菌在生物医药和食品领域能够早日大展拳脚。”肖文海说。

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  (编辑 靳莹 张静)