今天,各种汉堡丰富了大众日常饮食的选择,大部分人都品尝过不止一种口味的汉堡,牛肉的、鸡肉的,甚至还有牛油果的,可是你尝试过血红素(Heme)味的吗?这种听起来很不可思议的汉堡已经出现在全世界超过 30000 家餐厅和 15000 家杂货铺中[1]。生产这种汉堡的公司利用毕赤酵母生产大豆血红蛋白(soy leghemoglobin),然后将其添加到植物汉堡中,从而提高肉质口感和风味。相比牛肉汉堡,通过这一方法生产的植物性汉堡所占用的土地更少,也能降低碳排放。 这种生产“植物性肉类”的技术,就是合成生物学的一个应用方向。事实上,合成生物学的应用领域,不仅是食品和饮料,还包括能源、化工、医药、环境、农业、国家安全和纳米技术等。近年来,在政府、民间组织对药物研发增资,以及 DNA 测序和合成成本的降低等因素的影响下,全球合成生物市场呈高速增长态势。2019-2024年,全球合成生物市场将保持 28.8% 的年均复合增高速增长,据测算,至 2025 年,全球合成生物市场规模将突破 200 亿美元[2]。 合成生物学突破了生物学以发现描述与定性分析为主的所谓「格物致知」的传统研究范式,为生命科学提供了「建物致知」的崭新研究思想,开启了可定量、可计算、可预测及工程化的研究新时代。「自上而下」地构建「最小基因组」或「自下而上」地合成「人工基因组」,是合成生物学一个最核心的研究内容;大片段基因组操作和改造,以及大规模、高精度、低成本 DNA 合成,是其最重要的使能技术之一;而基因组(包括底盘细胞)的构建,是其最重要的工程化平台 [5]。
作为一家合成生物学企业,擎科生物为客户提供从最基本的DNA合成,到大片段基因合成,再到底盘细胞的改造等一系列高质量产品和服务。科学家们可利用擎科生物提供的原料进行深一步的菌种改造、基因治疗、环境调控、代谢调节、或者生产生物基化学产品等等。通过不断优化使能技术,擎科生物为合成生物学的研究或生产企业的开发保驾护航。
DNA 合成技术是合成生物学最基础的工具,主要分为寡核苷酸合成与基因合成。 寡核苷酸合成一般采用固相亚磷酰胺三酯法,擎科生物自主研发的合成仪就是利用这一原理。其自主研发的 CPG 控孔玻璃,是基因合成仪中的关键反应装置,具有孔道均一、不易堵塞、溶剂利用效率高、产品参数稳定等优点。后期芯片技术的引入实现了寡核苷酸的高通量合成,但是由于「脱嘌呤」现象与「边缘效应」的影响, 其合成序列的准确性受到了影响。目前还有一种新的合成技术——酶促合成技术,该技术作用条件温和,合成准确性高,副产物少,合成长度更长,是一项有潜力的技术但尚未进入商业化阶段。
表 1 三代基因测序技术对比
基因编辑技术也分为三代,分别为 ZFN、TALEN 和 CRISPR/Cas9。前两代技术采用的是蛋白质-DNA 的识别模式,导致切割位点有较高的特异性,无法随心所欲的选择切割位点。第三代 CRISPR/Cas9 则采用的是 RNA-DNA 的识别模式,切割位点的选择上更加广泛。此外,第一代基因编辑技术 ZFN 还存在构建难度大和易于脱靶的问题,第二代基因编辑技术 TALEN 虽很大程度上避免了脱靶,但操作过程相当繁琐。CRISPR/Cas9 技术则具有操作简便,周期短,成本低,调控方式多样化的优点。2020 年诺贝尔化学奖就颁给了两位从事 CRISPR/Cas9 技术研究的科学家,也从侧面反映出该技术的突破性。
表 2 三代基因编辑技术对比
图 1:基因编辑技术发展历程
根据麦肯锡的数据,原则上全球 60% 的产品可以采用生物法进行生产。其中 1/3 是原本就从自然界中提取的物质,而合成生物学改变了他们的生产方式。合成生物学制造化学品本质是利用一系列的生化反应合成目标化学品。与传统的化学合成相比,合成生物学生产化学品原材料具有可再生性、环境友好、安全性高。通过合成生物学设计一个新酶,意味着打通了一条自然界中原本不存在的生化反应,为代谢路径的设计提供了更多选择,也将拓展生物法制造化学品的种类。针对第二个问题,现在的技术会通过定向进化的方式,得到活性更高,耐受性更强的新酶。
参考文献 [3]《我国科学家参与人工酵母项目在《科学》杂志发表专刊》央广网 [4] 《人造单条染色体真核细胞问世 我国开启合成生物学研究新时代》《中国青年报》 2018-08-03 01 版 |