多年来，科学家一直在改造DNA片段，创造出了多种基因工程植物或动物，为人们提供了新的掌握生命的机会。“搭建生命积木的合成生物学”一文作者、波士顿大学生物医学专家詹姆斯·柯林斯(James Collins)，长期致力于改造生命体，并赋予其新的功能。就这一领域的未来前景，《自然》杂志专程采访了他。
詹姆斯·柯林斯
从生物能源向生物医学迈进
问：对合成生物学来说，哪些方面的潜在应用最有前途，哪些不是？
答：最初，许多应用的目的都是针对生物能源的。合成生物学工具可以用来重新设计生物，以此将生物分子或阳光转换为所需的燃料。但到目前为止，这些都没有成为实际的应用，试验平台上的实验一般很难转化为工业规模的生物反应器。毕竟要花费4美元成本才能得到1美元的燃料。
从积极的角度说，合成生物学逐渐由微生物系统转向哺乳动物系统，包括医学应用都很令人兴奋，前景广阔。一项科研人员正在尝试的应用被称为“合成生态系统”,比如，工程化肠道菌群可能成为一种新的疗法。目前，研究人员已经在小鼠模型中改良了大肠杆菌，旨在避免霍乱杆菌在肠道内增殖。
问：在处理或解决针对生物医学中存在的问题，哪些是合成生物学唯一可行的方法？
答：经过设计的包含分子成分的DNA、RNA和蛋白质的生物电路可以拥有各种用途，包括生物传感、生物修复和生物生产等。比如，加州大学伯克利分校的杰伊·基斯林(Jay Keasling)团队的工作就是一个成功的事例，他们把一条含有若干基因的细菌插入酵母细胞中，使后者可以合成抗疟疾药物青蒿素的前体。这比化学合成药物便宜得多。又比如，细菌荚膜位于细菌表面，使得细菌对抗生素具有抗性。我们团队利用工程噬菌体表达了一种能分解细菌荚膜的酶，进而破坏细菌荚膜。我们还使用了合成生物学的工具开启或关闭微生物防御抗生素的基因网络。
现在，科学家们正试图将插入细菌细胞的生物电路作为传感器来监测环境毒剂、感染源甚至肿瘤。构建能够感应处理信号、进行逻辑运算以及引发生物反应的基本“电路元件”等早期工作已为这一领域打下基础。合成生物学的下一个目标就是如何将这些元件进行组合使其发挥功能。
在2011年出版的《科学》杂志上，由麻省理工学院生物工程师罗恩·韦斯(Ron Weiss)和瑞士苏黎世理工学院的合成生物学家雅各·班纳森(Yaakov Benenson)领导的研究小组，设计了一套用来侦测肿瘤细胞的生物电路，这一电路还能指导免疫系统杀灭肿瘤细胞。当他们把这一生物电路插入宫颈癌细胞和正常细胞后发现，只有癌细胞被杀灭。虽然这一技术还远没有达到能够应用于人类的水平，但这一工作已经在单细胞水平癌症诊断上迈出了第一步。
合成生物学仍处在起步阶段
问：批评家们说合成生物学没有新意――不过是基因工程的一种新说法。
答：这一观点来源于学术界，我理解这一点。学术界接受的训练是批评和怀疑，他们不喜欢新的术语。我们的确应用了基因工程的工具和方法重新设计活细胞基本分子间的相互作用和途径。但我认为合成生物学涉及的内容比基因工程更宽泛，更能给人以深刻印象。我们将各种分子构建成为控制元件，而不是只关注单个基因的修饰。
问：合成生物学领域的发展面临着什么样的障碍？
答：该领域是如此的年轻，我们仍然在起步阶段。几十个实验室的研究人员分别研究着各自的部分――基因启动子、报告蛋白、抑制蛋白、核糖体结合位点，等等。但是，仍然有很多分子组件的作用尚不明确，无法作为合成生物学的工具。不过，随着工业界对合成生物学兴趣的不断增加，企业将会成为合成生物学的“组件库”。
另一个挑战是，这一领域工作量巨大而进展缓慢，构建一个感兴趣的生物电路往往需要几个星期。利用“试管进化”得到新蛋白或RNA分子的方法越来越多地受到人们的关注：蛋白质分子被随机突变，得到突变体库，再从库中筛选出我们感兴趣的蛋白质。如此反复，“定向进化”，最终得到我们想要的蛋白。尽管如此，我们对生物学的了解还是远远不够，我们还无法可靠预测组装后的各个元件能否很好的协同工作。
问：是否有足够的商业远景来支撑合成生物学的发展？
答：在最初的投资生物能源应用后，风险资本正在寻找下一个商业机会。美国国防部高级研究计划局(DARPA)就是其中之一。2011年6月，DARPA宣布了一项预算为3 000万美元的三年计划――“生命铸造厂”――支持学术界和企业界研究人员应用工程模式进行生物制造，其目的是为了加速合成生物学的研究进程，降低各种产品的制造成本。现在对这样一个新领域的商业回报进行预言为时过早，尽管它能否成为下一个半导体工业一时还很难说(半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为21世纪的高附加值、高科技的产业――译者注)。
资料来源Nature
责任编辑 则 鸣