什么是合成生物學？
合成生物學結合了生物學的理論知識與工程學的技術（也同時使用了生物信息學等眾多學科的技術），是一個“跨學科”的領域，旨在設計、構建和修改生物系統，以實現特定的功能或目標。它作為一個飽受關注的行業，在近幾年有著飛速的發展。在醫藥、食品、美妝、材料等方面均展現出巨大潛力，更是21世紀初新興的生物學研究領域。
合成生物學的歷史與現狀
“Synthetic biology”一詞最早由法國物理化學家Stephane Leduc于1911年在其所著的《生命的機理》(The Mechanism of Life)一書中首次提出，在該書中其試圖利用物理學理論解釋生物起源和進化規律，認為“構成生物體的是其形態”，并歸納為“合成生物學是對形狀和結構的合成”。
Stéphane Leduc (1853-1939)
實際上，合成生物學技術的理論和技術基礎直到20世紀中期才開始逐步建立，科學家們開始探索如何改變乃至于操縱生物體。21世紀初，隨著DNA合成技術的進步和生物信息學的發展，合成生物學才成為了一個獨立的研究領域。2003年，合成生物學的里程碑事件之一是合成了首個人工合成的細菌基因組，這代表人類有能力從零開始構建生物體。
現如今，得益于技術突破、政策支持等，被譽為第三次生物技術革命的合成生物學取得突破性發展，這一領域的研究逐漸被大眾所重視，技術逐漸在各個領域上發展、應用。麥肯錫數據顯示，預計到2025年，合成生物學與生物制造的經濟價值將達到1000億美元，未來全球60%的物質生產可通過生物制造方式實現。
合成生物學的基本理念
合成生物學的核心理念是將工程學的設計原則融入生物學領域，通過設計和構建標準化的生物組件（俗稱生物磚），科學家們能夠像拼搭樂高積木一樣組合這些模塊，從而創造出具備特定功能的微生物或細胞。這種方法極大地促進了復雜生物系統的構建與改造。
合成生物學超越了單純模仿自然界現有生物系統的范疇，它深入涉及對這些系統的重構與優化。借助DNA編輯與重組技術，科學家能引導生物體生成新穎且實用的化合物，或者提升已知化合物的生產效率。舉例來說，通過改造細菌的遺傳信息，可以促使它們生產出抗生素、維生素和疫苗等關鍵藥物。
合成生物學在生物制藥領域的應用
在所有應用領域中，合成生物學在生物制藥領域的影響最為深遠。通過這一學科，研究人員能夠在微生物體內構建復雜的生物合成途徑，從而生產出用傳統方法難以合成的藥物。以下是三類典型的應用：
1.藥物生產
合成生物學利用重組DNA技術，將微生物轉化為生產各類藥物的生物工廠。我們可以借助設計-構建-測試-學習（DBTL）循環，結合微生物系統內的高通量篩選與定向進化技術，加快實驗進程。藥物生產主要包括以下幾個關鍵步驟：
基因工程：科學家首先識別并合成能夠催化特定藥物生成的基因序列。
宿主選擇與改造：挑選適合表達這些基因的微生物宿主（如大腸桿菌、酵母等），并運用基因工程技術將藥物合成相關基因嵌入微生物的基因組。
優化生產：通過代謝工程調整微生物的代謝途徑，提升目標藥物的產量。這可能包括增加原料的供給、減少代謝副產品的生成，以及提高整體合成效率。
放大生產：在實驗室階段獲得成功之后，采用生物反應器在更大規模上培養經基因改造的微生物，實現藥物的工業化生產。
合成生物學在藥物生產中的一般流程
此外，合成生物學可通過優化藥物生產途徑，提升藥物大規模生產的經濟性和效率。例如，青蒿素是一種源自青蒿植物的傳統抗瘧疾藥物。借助合成生物學，我們能夠通過酵母生產青蒿素，即通過將負責青蒿素生物合成的基因路徑轉入工程酵母細胞，使其能夠生產青蒿素。這樣一來，既減少了對植物資源的依賴，又顯著降低了成本并提高了生產效率。
2.抗體生產
合成生物學在抗體開發中的應用彰顯其在現代醫學領域的革命性影響，尤其是在治療癌癥和自身免疫性疾病等復雜疾病方面。該學科利用活細胞系統，結合CRISPR-Cas9等基因編輯工具，設計并構建特定抗體的基因序列。隨后，這些基因被植入到經過優化的宿主細胞（如哺乳動物細胞或微生物）中，以便高效生產出能夠精確靶向病變細胞或病毒的高定制化抗體。合成生物學還被用于優化宿主細胞的代謝途徑，從而增強原料供應和改進能量利用，最終提高抗體的產量和質量。
而無細胞系統則提供了一個更加快速和靈活的抗體生產平臺，該系統從細胞中提取出必要的生物分子組件（例如核糖體和酶），并在體外環境中對這些組件進行重組，從而形成一個完整的蛋白質合成系統。這一系統能夠實現從DNA到蛋白質的直接轉換，因此極大地縮短了抗體的開發周期。無細胞系統特別適用于快速測試和優化新的抗體候選物，這使其成為應對病原體快速變化挑戰（如流行性疾病爆發）的理想選擇。
總的來說，通過活細胞和無細胞系統，合成生物學為醫學研究和患者治療帶來了前所未有的速度和精準性，展現出巨大的潛力和多樣化的應用前景。
無細胞系統及其應用
3.疫苗開發
在疫苗開發領域，合成生物學極大地提升了快速開發和定制疫苗的能力，特別是在應對流行病緊急情況時顯示出獨特優勢。通過精準的合成技術，科學家能夠設計并合成出能夠有效激發免疫反應的病原體特定抗原的基因。隨后，這些基因被植入合適的表達系統中，以促進疫苗成分的生產。此外，借助無細胞系統，可以迅速生成疫苗的關鍵組成部分，比如流感疫苗中的抗原蛋白。
另一項創新方法是設計能夠在體外自組裝成納米粒子的蛋白質，這些納米粒子通過模仿病原體的外觀和大小，顯著增強免疫系統的反應能力。例如，運用合成生物學方法可以設計出新型冠狀病毒的刺突蛋白片段，這些片段能夠高效地誘導免疫反應，為快速應對疫情提供了堅實的技術基礎。這些先進技術不僅極大地加快了疫苗的研發進程，而且優化了疫苗的效果，為維護公共健康提供了強有力的新策略。
結語
合成生物學不僅能夠加速藥物的生產過程，還能提高藥物的安全性和有效性。隨著技術的不斷進步和應用的深入拓展，合成生物學將在未來醫藥領域扮演越來越重要的角色。這些創新技術不僅推動了醫藥領域的快速發展，還展現了其在提高藥物生產效率和降低成本方面的巨大潛力。合成生物學正引領藥物生產進入一個新紀元，為人類健康事業帶來革命性的變革。
參考文獻
