合成生物学必须直面的五项挑战VIP免费

合成生物学必须直面的五项挑战石磊/编译有关合成生物学的一些报道给人的感觉是：操纵生命的能力似乎仅仅被想象力操控。或许不久以后，研究人员可以对细胞进行“编程”，从可再生来源（renewablesource）中生产出大量的生物燃料，或检测毒素的存在，或按照人体的需要释放精确的胰岛素，等等。对合成生物学的发展，媒体的报道曾引发人们对其未来充满了憧憬。现实是，该领域还有许多有待攻克的瓶颈由于所有的生命都建立在大致相同的遗传密码之上，而合成生物学能够提供可重复使用的遗传成份的工具箱——生物学版本的“晶体管”与“开关”——以便任意插入“电路”。受到激励的生物学家们似乎认为基因工程可以扩展到所有的领域，具体做法是：行使所需功能的遗传序列，即把某些“部件”表征出来，形成“装置”以获得更复杂的功能，然后把这些“装置”插入细胞中。但随着合成生物学网络不断增大，困难也随之增大，设计更复杂系统的能力也因此受到了限制，从部件的表征到系统的设计与构建，其过程中的每一步挑战都隐约可见。正在哈佛医学院从事合成生物学研究的克里斯蒂娜·阿加帕基斯（ChristinaAgapakis）认为，尽管“存在很多阻碍工程学的生物学问题。”但这还不足以阻止合成生物学领域的开拓者们，他们已经在着手解决以下5个关键的挑战。挑战1：很多部件不明确生物部件可以是从编码特异蛋白质的DNA序列到启动子（即促进基因表达的序列）的任何东西，问题是很多部件还没有被表征清楚。即使进行过测试，它们的性能也会随细胞类型的不同或不同的实验室条件而改变。例如，设在麻省理工学院的“标准生物部件登记处”已有超过5000个可以订购的部件，但不能保证它们的质量，该登记处主任兰迪·雷特伯格（RandyRettberg）说。其中大多数部件是由参加国际遗传工程机器设计大赛（iGEM）的大学生呈报上来的，该大赛开始于2004年，每年举办一次。在比赛中，学生们用从“工具箱”中拿来的部件或自己开发的新部件来设计合成生物系统。但是，很多参赛者没有时间表征这些部件。来自意大利帕维亚大学的一个iGEM参赛团队，在优化微生物中的乳糖发酵时，通过把启动子放置在大肠杆菌（一种标准的实验室细菌）中，检测了取自“标准生物部件登记处”的一些启动子。尽管该团队检测的大部分启动子都能工作，但其中的几个启动子几乎没有文献报道，包括一个启动子没有活性。雷特伯格说，大约1500个登记处部件已被其他人、而不是当时存放它们的人证实过，其中50个部件据报道是不成功的，200个部件被报道有“问题”，剩余部件中究竟有多少已被检测，目前尚不清楚。加州大学伯克利分校的合成生物学家亚当·阿金（AdamArkin）、杰伊·科斯林（JayKeasling）与斯坦福大学的德鲁·恩迪（DrewEndy）正在发起一项新的名为“BIOFAB”的计划，以便开发与表征新的与已存在的部件。阿金说，2009年晚些时候，他们获得了美国科学基金会140万美元的经费，现正在招聘工作人员。同时，恩迪还提出了减少不同实验室测量值中某些变异性的方法：通过测定与参考相关启动子的活性，而不是测定其绝对活性。恩迪发现，这种方法能消除50%由实验条件与实验设备引起的测量值的变化。这些"部件"工作起来就像乐高积木（Lego）。像这些刊登在《纽约客》与《连线》杂志上的图片，它们把合成生物学描绘成简单的设计与构建。而事实是，很多部件还没有被表征好，或以不同的构型、在不同的条件下以我们无法预言的方式工作不过，使用标准化进行测量是很棘手的。例如，在哺乳动物细胞中，引进细胞的基因往往不可预测地被整合进细胞的基因组，时常影响邻近区域的基因表达。苏黎世瑞士联邦理工学院的合成生物学家马丁·傅森格（MartinFussenegger）说：“这种复杂性是非常难于用标准化表征方法捕捉到的。”挑战2：电路系统难预料科斯林说，即使每个部件的功能是已知的，然而当这些部件组合在一起时，它们也可能不会像期望的那样工作。合成生物学家经常被试错法（trial-and-error）过程所困扰，这与其他现代工程学中发现的、具有更多预测性的设计程序不同。“我们仍像莱特兄弟（飞机发明者）一样，把木头与纸装配在一起，”西班牙巴塞罗那基因组调控中心的...