《科创中国·院士开讲》第二十期：大数据时代 我国迎来定量合成生物学发展重要契机

《科创中国·院士开讲》第二十期完整视频

《科创中国·院士开讲》是“科创中国”与抖音联合打造的大型视频知识类栏目，由中国科学院和中国工程院院士作为主讲嘉宾，栏目在“科创中国”微信公众号同步播出。

本期的主讲嘉宾是分子微生物学家，中国科学院院士，中国科学院合成生物学重点实验室专家委员会主任，上海营养与健康研究所生物医学大数据中心首席科学家赵国屏。以《从会聚研究到赋能人类——合成生物学的昨天、今天和明天》为题，赵国屏院士向大家介绍了我国合成生物学的发展历程，并解答了合成生物技术要解决的科学问题究竟是什么，以及该项技术今后的发展方向等网友热议话题。

以生物造万物，合成生物学如何改变世界？

与探索生命起源相比，更令人兴奋的莫过于创造新的生命形式。很多人狭义地认为，合成生物学就是“全合成生命”，即利用化学合成的方法从头合成一个具有生命活力的细胞。而实际上，合成生物学是基于“自下而上”的基本理念，采用迭代研究工程化原理，有目的地将生物体设计成有限数目的零件，以新的结构来修饰现有的生物体，或以此来创造新的生物。
“放眼全球，合成生物学的发展历史很长，而且是几起几落。”赵国屏院士讲到，“合成生物学”这个词最早出自化学家，1828年，德国化学家弗里德里希·维勒在无机实验中合成了尿素，揭开了人工合成有机物的“合成化学”序幕。到了1910年，法国科学家在合成科学的基础上提出了“合成生物学”的概念，并且提出，生命科学的研究归根结底是要走过从描述-分析-合成的阶段。也就在那时，生物学逐渐走向了机制的研究。
上世纪中叶，随着DNA双螺旋结构的发现，分子生物学“中心法则”的确立，人类得以揭开生命奥秘的密码。而随着生命另一类基本分子，具有生理活性的蛋白质牛胰岛素一级结构的解析，我国科学家于60年代率先使用合成科学的手段完成了牛的胰岛素的全人工合成。同一时代，DNA测序技术、DNA 重组技术以及基因编辑技术的建立，实现了人类“读基因”“写基因”“编基因”的梦想。
“到这时，分子生物学的‘革命’算是大功告成，且成为了一项划时代的重要实践。”赵国屏院士紧接着说到，“人们当然不会满足于此，90年代科学家们开始探索基因组测序，将对上千碱基基因测序的技术迅速上升至对百万至上亿、乃至数十亿碱基基因组测序的水平，以基因组数据为基础的计算生物学、系统生物学迅速发展起来。”

本世纪初，采用生物基因“元件”构建逻辑（门）线路（包括生物开关、压缩振荡子以及自动调节的负反馈线路）工程的成功，将工程科学“自下而上”的研究理念引入生命科学领域，推动了“合成生物学”的重新定义，将生命科学推进到了“造物致知，造物致用”的新高度。2004年，合成生物学更是被《麻省理工科技评论》评为改变世界的十大新技术之一。
到了2010年，科学家合成了约100万碱基的支原体基因组，并将其转入另一种支原体细胞中，获得了可正常生长和分裂的“人造生命”，从而实现了“撰写”基因组的梦想。
此后，科学家们又合成了非天然核苷酸、非天然氨基酸，并采用“编辑”基因组的手段，创建出了人造单染色体真核细胞，人类掌握了“读”“写”“编”基因组的技术手段。也是在这时，生物技术、基因工程、分子工程、系统生物学等多领域学科会聚起来，合成生物学开启了“会聚”研究新时代。

从技术创新到“建物致用”，合成生物学展现强劲赋能潜力

近年来，合成生物技术逐渐发展成为传统技术的充分补充和替代，广泛应用于医疗、化工、食品、农业、消费品等终端领域。从技术创新到“建物致用”，中国在合成生物学的世界舞台中扮演着怎样的角色？
“我国最早在世界上人工合成了牛胰岛素，接下去还合成了tRNA这个很重要的分子。到了90年代，我们在基因组和多组学方面也跟上了时代发展的步伐。分子生物学革命时，生物工程、代谢工程也相继发展起来，跟基因组研究相结合后，生物信息学和计算生物学也借势而起，这些都为我国建立合成生物学的研究体系奠定了基础。但是，我国真正接触合成生物学，登上世界舞台，还是在2005年的时候。”赵国屏院士回忆。

2005年，中国高校参与iGEM竞赛（国际基因工程机器大赛），“合成生物学”理念正式进入中国。2007年，中国科学院组织开展了我国18个重要领域“至2050年科技发展路线图”的战略研究。在“重大交叉前沿”领域中，专门列出了“生命起源、生物进化和人造生命”的重大方向，并指出“在生命起源与进化方面，合成生物学的出现打开了从非生命的化学物质向人造生命转化的大门，为探索生命起源和进化开辟了‘从整体论角度去解读生命-复杂动态系统’的崭新途径，将可能导致生命科学和生物技术的重大突破，并对人口健康、生物经济和资源环保等领域前沿产生革命性的影响。”
2008年，我国先后召开两次关于合成生物学的头脑风暴会议，一次是香山会议，一次是东方论坛。同年，中国科学院合成生物学重点实验室启动，在这个新兴前沿交叉学科领域，中国生命科学界系统性研究工作迈出重要一步。
“此后，我们花了10年时间，对实验室进行根本上的改造，那真称得上是一个凤凰涅槃浴火重生的过程。”赵国屏院士坦言，“我们很多老师、学生都开始做一些过去不熟悉的东西，努力建立合成生物学的研究体系，建立我们所需要的系统生物学的技术，生物元件和底盘的技术、体系，建立DNA的合成和操作技术，然后采用合成生物学工程科学研究的理念，也就是‘设计-构建-测试-学习’这样一个过程，实现了‘建物致知’和‘建物致用’两大目标。我们所创建的颠覆性技术也开始为社会、为科学的发展作出贡献。”
多年来，我国在援建工程、线路工程、代谢工程、基因组工程以至细胞工程方面做出了许多有益探索。回顾合成生物学在我国走过的发展历程，从基础研究到产业发展都进入了快车道，从底层的技术到产业化的终端产品，皆有成果不断涌现，一批批重点实验室、研究单位、创新联合体、产业技术联盟及科创企业如雨后春笋般拔节生长。与此同时，国内合成生物学领域已经形成以深圳、天津、上海等为代表的产业集群，着力推动国内合成生物学从多点发力，发展成为全球合成生物学领先的科研产业阵地。

研产用并举，推动我国合成生物学高质量发展

2022年5月，《“十四五”生物经济发展规划》提出，“十四五”期间，要推动生物技术和信息技术融合，加快发展生物医药、生物育种、生物材料、生物能源等产业，做大做强生物经济。合成生物学以工程学思想高度整合了生物技术、基因工程、分子工程、系统生物学等多领域的技术和解决方案，已经催生了诸多新业态和巨大的市场机会。
运用合成生物学技术，创建适用于食品工业的细胞工厂，将可再生原料转化为重要食品组分，被认为是解决食品问题的可行途径；在农业生产中，大幅使用氮肥带来的土壤板结和酸化等问题，可以通过合成生物学“微生物固氮”技术得以有效解决；环境治理领域，人工合成的微生物传感器可以帮助人们监测环境，设计构建能够识别和富集土壤或水中的镉、汞、砷等重金属污染物的微生物，从而大幅提升污染治理效能。
在抗击新冠肺炎疫情中，合成生物学技术也发挥了相当重要的作用。例如，利用DNA条形码技术改进测序流程、利用基因编辑技术开发核酸诊断试剂，提高诊断的准确性和灵敏度。运用合成生物学技术还可寻找潜在的小分子药物、开发疫苗，以及通过调节人体微生物组来激活人体免疫系统，提高人体抗病毒能力。
然而，在为相关重要科学问题的解决带来新机遇的同时，合成生物学也面临着重大挑战，即缺乏可预测性设计的指导，这也是制约合成构建更复杂、更可控的生物系统的关键瓶颈。

“合成生物学的明天将会走向何方？它要解决的科学问题到底是什么呢？”赵国屏院士提出，合成生物学本质上是要让我们理解从分子-亚细胞-细胞跨层次的生物功能的涌现，理解的程度将支撑我们的设计能力，合成生物学应该探索走向定量合成生物学阶段。
如何进行定量？赵国屏院士解释，以人工智能机器学习为核心的“黑箱模型”和以实验为基础的维象理论构建结合工程验证的“白箱模型”两种途径相互协同印证，将有能力揭示生命结构相变、功能涌现的机理，提升我们预测设计编程合成生命的能力。总之，这两者的结合，在人类发展史上、在我们生命科学发展史上都将是前所未有的。
经过近十年来不同学科与领域的专家合作攻关以及国际合作，我国在合成生物学领域已奠定了坚实的研究基础。2021年9月定量合成生物学香山会议上，20余家单位的40余位专家学者深入探讨合成生物学的科学问题和主要瓶颈并达成多方共识，为推动我国合成生物学高质量发展，强化合成生物技术战略科技力量奉献心力。“政”“学”呼应之下，合成生物学即将呈现“研”“产”“用”并举的发展格局，而合成生物学核心理论与技术工程平台的突破，也将在我国科学进步与经济发展进程中承载重要使命。
“其实，不论什么样的学科、什么样的技术，我们归根结底还是要解决人类社会面临的实际问题。”在赵国屏院士看来，科学家们最重要的任务就是回应社会关切，在实际问题中找到真的问题，脚踏实地解决问题、回馈社会，推动人类社会发展的巨轮滚滚向前。