从对生活的认识到创造生命综合生物学到开放生
Zhejiang新闻客户培训生记者Tu Jiayu
在21世纪，年轻的跨学科“合成生物学”正在颠覆我们对生活科学的认识。
顾名思义，合成生物将分散的生物元素结合到完整的系统中，使其具有生命的形式和功能。
实际上，这种“创造”天空学科具有极大的下降 - 地球目标：改善人类健康，应对谷物危机，减轻全球变暖等等。
图显示了Zeng Anping教授。西湖大学的人物
最近，西湖大学合成生物学和生物医学制造中心已经开放了运营。德国工程学院的院士和德国工程学院生物学与生物工程学教授Zeng Anping的创始董事曾担任创始董事。在与记者的对话中，Zeng Anping教授向我们展示了合成生物学“创造生命”的魔力，并揭示了我们开放的未来场景。
颠覆传统思想
1965年，世界上第一个人为合成的蛋白质结晶牛胰岛素在中国出生。从那个时代开始，生命本质的神秘面纱开始按一层揭示：DNA双螺旋结构的发现，将遗传研究加深了分子水平；基因测序技术诞生了，因此科学家可以阅读和理解生活密码的密码
中国科学院生物化学研究所的研究人员做胰岛素A和B链。数据图片（来源：人们的每日在线）
实际上，生命科学的前两轮都是学科的产品。就像沃森（Watson）和克里克（Crick）通过X射线数据发现了DNA的结构一样，引入大量物理学和化学研究工具也促进了第一次生命科学革命。在1990年代，计算机科学的发展推动了基因组学的快速发展，并触发了生命科学领域的“信息爆炸”。
如今，生命科学，工程和信息科学的深刻融合使我们站在第三生命科学革命的风口浪尖。合成生物学是这场革命的主角。它导致我们从对生活的理解，对生活的转变甚至创造生命中实现了飞跃。
什么是合成生物学？我们知道，生命系统的形成被认为是数十亿年的结果。但是，合成生物学的传统思维采用了“底部”工程的设计概念，该概念将生命体视为一系列执行特定功能的组成组合，例如基因，蛋白质等。这些组件就像计算机中的各种程序。他们在生物体中奔跑。掌握了规则和语法的科学家可以设计，编译并加载到新程序中。他们可以从头开始我们的期望。
在2010年，科学家使用合成生物技术创造了一种新的生活，这种新生活在自然界中不存在：遗传科学家Wimpel导致他的团队将丝绸形螺距的基因组用作模板，并化学合成一组完整的衣原体基因组来带上它。移植到去除DNA的山羊环上。第一个人工合成的单细胞生物学“ cindeia”诞生了，允许合成生物学认识更多的人。
在接下来的十年中，基因测序，编辑和合成技术的进步和普及为合成生物学的发展铺平了道路。 “基因编辑技术是合成生物学的底盘技术之一。” Zeng Anping说。例如，CRISPR-CAS9基因编辑技术（称为“生命的剪刀”）极大地提高了基因编辑的速度和准确性，降低了成本，并在各种遗传研究中广泛使用。
“更重要的是，如何组装这些转化的组件，制造标准化的模块，建立高效率分子机和微生物细胞工厂。” Zeng Anping添加了。他认为，生命转变的合成生物学的最终目标是将生命科学的原理和突破转变为技术创新和生产力。
将来，合成生物学将极大地扩大我们对生活的理解和想象。霍克菲尔德（Hokfield）在演讲中说，在麻省理工学院科技大学前校长说：在工程学的加入下，生命科学已经超过了先前的“什么，为什么以及如何做”问题模型。将来，它更有效和实用。问题应该是“为什么不”。
生活来自哪里
生活二，两个生命和三个，三个生命。 200多年前，老子相信世界源于阴和阳的道路。
世界上的一切都从较少变成了，从简单到复杂。所有这些的根源是什么？自远古时代以来，人们一直试图回答有关“一个”的问题。
在西湖的合成生物学和生物工程实验室的主页上，我们还发现了这一古老的谚语。如果您想建立自然界中不存在的生命系统，那么合成生物学也必须面对生命的起源。
碳元素是不可能终生的“一个”。
碳被认为是生命的“骨架元素”。这是因为构成寿命的各种分子，包括DNA，氨基酸，蛋白质等，都包含碳原子。它就像连接器与其他原子紧密结合的连接器形成各种链条和环结构。这些结构在生物体中形成各种物质。地球上的生活，因此被称为“基于碳的生活”。
最早的天然生物量，例如淀粉，是合成生物学的应用原料。这些原材料的“生产”必须由绿色植物的光合作用“固定碳”。尽管它避免了环境污染，但二氧化碳转化效率和低光使用效率也存在问题。此外，由于大量的粮食作物，该应用程序引起了与人“抢食”的困境。
2021年10月2日，中国科学家闯入了二氧化碳人工合成淀粉技术。图显示了实验室中国科学院的天津工业与生物技术研究所的副研究员CAI TAO，以在实验室中显示人工合成淀粉样本。新华社
这也解释了2021年与二氧化碳人工合成淀粉的技术突破引起巨大感觉的原因。一些专家说，如果将来该技术的过程比将来的农业种植更加经济，那么将保存超过90％的耕地和淡水资源，而环境（例如农药和肥料）的负面影响将进一步。避免。
Zeng Anping团队的研究还将合成生物的起点推到了碳化合物。
从二氧化碳，两种碳的氨基酸，三碳的丙酮和更复杂的多碳化合物，这是Zeng An Ping试验所实现的“三个生命”的过程。
“碳1-碳3代谢系统是生命活动中的核心材料代谢，能量代谢的关键步骤以及涉及核酸生物学合成。” Zeng Anping解释了，但是这个基本过程的原理实际上非常复杂，它的定量和基于模型的研究仍然非常具有挑战性。
目前，重点是实验室的核心科学问题之一是“碳1-碳X”代谢系统，尤其是“碳1-碳3”代谢调节机制。设计，开发新颖的人造细胞和新一代生物制造技术。 “目前，我们已经开发了一台微小的分子机。它具有三头和六个臂，可以极大地提高生物合成的效率。” Zeng Anping说。
Zeng Anping还补充说，实验中使用的二氧化碳直接来自空气。大气中二氧化碳的浓度非常低。如何使用这种“薄”资源是另一个困难。因此，Zeng Anping将他们的研究方向称为“大气合成生物学”。
原始地球上的恢复大气被认为是将无机物体转化为生物分子的重要条件。 1953年，著名的“米勒模拟实验”证明了化学过程。芝加哥大学米勒大学的研究生将甲烷，氨，水和氢混合在弯曲的瓶中，并放入电极中以模拟早期的大气条件 - 充满了单一气体，并且经常闪烁着雷声。米勒成功了，瓶中出现了几种不同的氨基酸，这是生命的重要基础。
“捕获大气中的材料并构建生命的要素，我们正是当代的“米勒实验”。” Zeng Anping说。
工业排气，车辆尾气，垃圾填埋场中有许多碳排放源……如果您可以捕获这些碳排放量，那么这些碳排放量无法捕获这些碳排放量，无法大规模续签碳资源，直接转换和重复使用生物学转化。温暖的缓解和整体人类社会的可持续发展做出了不容忽视的贡献。
将来，没有估计
可以创造新生命并拯救全球气候的合成生物学离我们的生活不远。
近年来，人造肉的概念已成为全球浪潮。这种改变我们表的黑色技术是合成生物学的产物。
必须连续解决人造肉类技术的核心问题是如何更有效的合成细胞蛋白并使此类产品更像真正的肉类。在使用植物蛋白，脂肪，水和一些营养素来构建肉的基本“骨骼”之后，合成生物学也可以注入颜色，香气和风味的“灵魂”。
来自美国一家家庭制作的肉类公司的研究人员发现，动物肉的独特风味来自肌肉中的血红素。他们首先在Beanite植物的根茎中发现血红素替代性“豆血红蛋白”，然后使用合成生物学技术来鉴定产生豆类血红蛋白的特定基因，并插入了bichen酵母中，并转化了转化。酵母可以继续产生“植物血”。
“从理论上讲，可以通过生物综合可以获得世界上60％以上的重要化学物质，燃料，天然产品和原材料；但实际上，目前只有不到6％的目前已实现的生物合成制造。”在流行的科学演讲中，Zeng Anping拿出了一系列数字。
在6％至60％之间，合成生物学的广泛前景一眼就明显了。
在投资市场中，更多惊人的数字证实了合成生物学轨迹的热量。根据研究机构的数据，2021年全球合成生物学的总融资约为180亿美元，相当于过去12年的总数。从2030年到2040年，合成生物学每年将为世界带来2万亿元人民币。直接经济利益为4万亿美元。
从基础研究到多样化的应用程序情景，让合成生物学真正改善了人们的生活 - 这也是Zeng Anping实验室的主要目标。
两年前，Zeng Anping的团队发现了一种酶蛋白，该酶对环境有反应并首次逆转相变。该蛋白质具有罕见的低临界过渡温度和已知相蛋白的不同结构特征。成分，具有生物催化活性的稀有水凝胶。
基于具有催化性能的相变大分子，实验室开设了一个新的研究领域“催化软材料合成生物学”，并将其与“碳1-碳X”合成生物学结合起来，以进行生物学多学科交叉 - 研究医学，生物医学材料，未来食品和其他方向的研究。 Zeng Anping说：“我们的结果可以应用于3D生物结构印刷，智能生物反应堆，新一代mRNA药物，基因治疗的新工具，人造肉，美容和医疗保健领域。”
例如，在3D细胞的培养中，软物质可以用作“支架”，可以为细胞增殖和分化提供良好的三维微环境，并模拟体内生长的细胞的自然状态。另一个例子，在药物输送系统中，软物质可以成为用于储存疫苗，包裹疫苗并释放抗体的“细胞装置”，遇到抗原以增加体内mRNA疫苗的一半寿命并扩展有效疫苗的时间。
目前，拥有三所大学的10多名特殊任命的研究人员和博客作者拥有三所大学。他们将集中于新一代生物药物，生物医学材料以及基于二氧化碳和太阳能的大型绿色。生物制造核心技术，结合了生命科学，生物工程，材料科学，绿色化学和人工智能等主题力量。
“这确实是一个纪律领域，兴趣是唯一的门槛。” Zeng Anping说。
【Zhejiang新闻+】
合成生物学帮助药物研究和开发
抗癌药
长春碱
长春花，通常被称为马达加斯加长春花，是长春的新碱和长春碱的来源。视觉中国照片会议
今年8月，来自丹麦和美国的一支科学家团队对酵母进行了基因工程转型，以生产Wendorin和Changchun Alkali，然后净化这两种预生体物质，以生成Changchun Alkali。 Changchun Alkali是一种重要的抗癌药，可以有效抑制癌细胞的分裂。但是过去，1克长春碱需要超过2,000公斤的马达加斯加长春花叶子。在流行病期间，长春的干叶供应延迟曾导致药物供应短缺。
研究小组总共进行了56个基因编辑酵母，将31步合成纳入酵母。酵母中建造的代谢途径是有史以来在微生物中重建的最长的生物合成方法。
镇痛药
对乙酰氨基酚
合成生物学不仅可以促进复杂天然产物的合成，而且还适用于非自然产物的合成。 2021年，北京化学大学团队意识到使用微生物为对乙酰氨醇生产非天然物质。乙酰氨基醇是用于镇痛和加热疗法的主要药物之一。
该团队使用酶原理和底物产品相似性的原理来设计一种与乙酰明合成的新方法。通过采用温度响应控制系统，它们可以减少合成途径中的产物的积累，并实现乙酰苯酚120.03 mg/lit的输出。该研究奠定了对乙酰氨基酚的工业化绿色生产的基础。
抗疟药
阿耳马素
2013年，美国科学家培养了可以产生蒿的新型酵母。它产生的蒿氨酸可以用光学化学物质催化为青蒿素，每种酵母培养基产生的青蒿素达到25克。
早些时候，青蒿素一直在使用天然artemisia提取作为主要来源。青蒿素的半合成可以为疟疾流行地区的国家提供稳定且低成本的供应来源，这对于挽救更多患者的生命至关重要。这项成就也被认为是合成生物学的早期里程碑成就。
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