“细胞药厂”可植入体内 合成生物学将带来颠覆性变革

叶海峰实验室尝试用手机APP控制植入小鼠体内的人工细胞分泌胰岛素。(叶海峰实验室供图)

■本报首席记者　许琦敏

人工设计的细胞将可在体内定时为患者输送药物；通过基因设计可以控制家蚕、蚊子等昆虫的性别；基因编辑可以使育种速度成倍提升……你可知，这些都是合成生物学带来的神奇改变。

作为第三次生物技术革命，合成生物学将给人类社会生活带来颠覆性的变化。前两次生物技术革命分别是继DNA双螺旋发现所催生的分子生物学，以及“人类基因组计划”所催生的基因组学。记者从昨天在沪闭幕的“第三届合成生物学青年学者论坛”上获悉，几年前还如同天方夜谭的“人造生命”，已开始从实验室走向产业化。

对基因认识不断深入

今年3月，美国《科学》杂志以特刊形式，发表了“人工合成酵母基因组计划”的里程碑式阶段性成果———继2014年美国科学家人工合成真核生物酵母3号染色体后，新的五条酵母人工染色体也被成功合成，来自中国的三个研究团队完成了其中四条的合成任务。

带领实验室完成了其中最长的那条染色体合成的清华大学生命科学院戴俊彪研究员，在报告后接受记者采访时表示，这一成果显示科学家合成基因的能力达到了一个新的高度，同时也使人类对基因的了解进一步深入。“在合成染色体的过程中，我们发现DNA上还有大量的‘暗物质’是我们所不了解的，而它们和基因的启动、功能增强和削弱，以及DNA的空间折叠等息息相关。”他说，这些无知都限制了我们对基因组的设计能力。然而，不动手合成，就不会对基因组有更深入的了解———从合成基因组，到加深了解，再到提升合成设计能力，一个螺旋形上升的良性循环正在形成。

去年被英国《自然》杂志评为年度十大科学人物之一的中科院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员，也来到这次论坛上。她将基因编辑技术CRISPR-Cas9用在植物上，实现了在不遗留外源DNA的情况下，对植物基因进行精确编辑。她认为，作为合成生物学的手段之一，基因编辑为人类了解更多基因的功能、更复杂庞大的基因组提供了很好的技术手段。她的课题组正着手研究小麦基因组———它比水稻基因组的数据量大了很多，结构更复杂，以前因为难度太高而不敢涉猎，现在“研究小麦的春天到了”。

“细胞药厂”呼之欲出

千万别以为合成生物学还只是实验室里摆酷的研究，它其实已经在向实际应用的产业化道路上迈进。

就在两个多月前，华东师范大学的叶海峰研究员在美国《科学-转化医学》杂志上发布了最新成果：他巧妙地将合成生物学与电子工程学相结合，开发出了一种集糖尿病诊断和治疗为一体的智能诊疗新系统。

“我们利用合成生物学的方法设计合成了远红光响应的人工定制化细胞，再将这些光控定制化细胞连同一个微小的远红光LED光源移植到糖尿病小鼠体内。”叶海峰说，只要通过手机App控制，就能让体内LED发光，植入的特殊细胞被光一照，就会分泌出胰岛素———这就好像将一个“细胞药厂”送进了人体，在任何需要的时候精确产生药物。目前，他们正在大动物身上进行实验，希望能尽早进入临床———如果这条路径走通，那么人类给药的方式，可能迎来颠覆性的改变。

理论上，由合成生物学带来的“细胞药厂”有可能产生任何药物，但在实际应用中，还有很多问题需要攻克。比如，远程操控体内用药如何达到全自动化、数字化精准？“细胞药厂”可否长期有效？叶海峰的课题组正在不断完善这项技术。他相信，合成生物学与人工智能的结合，将会打开人类对于未来的无穷想象空间。

其实，比起“细胞药厂”，已经有更多合成生物学技术迈向产业化。论坛主席、中科院上海植物生理与生态研究所王勇研究员介绍，仅在植生所，就已有好几个项目在孵化中。用酵母细胞产生高纯度的药用人参皂苷，就是其中之一。此外，利用合成生物学方法控制家蚕性别，帮助蚕农获得更多产丝量高的雄蚕，也是推进的项目之一。与此类似，控制蚊子性别的合成生物学技术则在我国南方，以及一些南美洲国家推广。

产业化机遇不可错失

合成生物学是难得的几个国内起步较早的领域，只比美国晚了三五年。而且，目前从基础研究来看，中国的实力仅次于美国。站在从基础研究向产业化迈进的关口，中国科学家们不禁再次呼吁：希望在鼓励“双创”的大环境下，涌现出更多的高科技中小企业，承接实验室成果，迅速推向产业化。

王勇说，在美国，近几年冒出了数以百计、千计的合成生物学高技术小企业，把技术不断向实际应用推进。英国也已经有了自己的合成生物学发展路线图，已经形成从基础研究、应用研究，到产业化的体系。“相信在十年之内，在这个领域将发展起一个极有潜力的新兴产业。”

他认为，上海在发展合成生物学产业化上，有着得天独厚的优势。上海是国内最早发展合成生物学的地区之一，早在上世纪60年代就诞生了举世瞩目的“人工合成结晶牛胰岛素”。2015年，由中科院合成生物学重点实验室及上海交通大学发起，整合国内主要优势力量，建立了上海合成生物学创新战略联盟。“十二五”期间，上海率先建立起了合成生物学基础、应用研究的平台，形成了雄厚的科研实力，在全国乃至世界上占据了一席之地。“上海建设具有全球影响力的科创中心，或许这将成为亮点之一。”