合成生物入门指南：带你走进“颠覆未来”的生命学科

如今,全球前沿科技界的超级巨星“合成生物”正悄然走进我们的日常生活,它不仅高效环保,还是绿色使者!听说过用合成生物制作我们穿的衣服纤维材料和用的可降解塑料么?不仅如此,未来的食物也可以来自合成生物?甚至房子也能用合成生物建造?

“合成生物”到底是做什么的?

第一次听到合成生物这个词,可能大家会想:是不是可以把不同动物的基因像拼图一样拼在一起呢?可以做出一个超级动物,有蝴蝶的翅膀,狮子的身体,鱼的鳃,甚至还有恐龙的尾巴呢?

其实,合成生物并不是简单地把不同动物的部位拼在一起。它是科学家们用特殊的方法,让生物的基因发生变化,来创造出新的、对人类有益的生物。这种技术可以帮助我们解决很多现实生活中的问题。

大家都知道,组成生命的基础,是遗传物质DNA。有数据显示,人和香蕉的基因相似度为60%,不同人种之间的基因相似度高达99.9%。但你有没有想过,DNA又是由什么组成的呢?那就是ATCG四个碱基。

ATCG就像构建生命的积木,通过不同的排列组合,塑造了地球上所有生物的基因。无论是单细胞生物,如细菌、病毒、单细胞藻类,还是更复杂的生物体,他们的基因都由这四个碱基组成。

我们只需重新排列这四个碱基,就能改变生物体的细胞行为,赋予它们全新的能力。以透明质酸为例,通常是由链球菌发酵生成的。然而,通过合成生物,我们可以改写链球菌四个碱基的排序,让它们更高效地生产透明质酸,甚至生产出全新的物质。             

这就是合成生物的基础应用——重塑生命的可能性。

由ATCG四种碱基组成的DNA

基因那么小,人类是怎样编辑基因的呢?

想要编辑基因,就不得不提“读、写、改”这三大合成生物的底层技术了。

简单来说,“读”就是指读取生命信息。还记得刚才讲到,基因是由 ATCG四个碱基排列组合而成的吗?只要用4种具有不同发射波长的荧光染料,就能把它们染成四种不同的颜色,通过仪器记录下不同波长的信号,计算机就能录入这组基因ATCG的排列顺序了。

“写”是指基因合成技术,是在计算机中像编程一样的对基因进行设计和优化,最后用化学合成的方法,用DNA连接酶像胶水一样把设计的基因片段组装成完整的基因。用这种方法,不仅能“写”出自然界已有的基因片段,而且能创造出全新的基因片段。

“改”是指基因编辑技术,它比基因合成技术更加精准,利用CRISPR技术,在已有的基因上做小修改,甚至做到只靶向改变一对碱基。

细胞工厂是什么?

当我们提到合成生物的时候,往往会提到“细胞工厂”,合成生物能够通过细胞工厂生产万物。那么,细胞工厂究竟是什么?

事实上,细胞工厂是个形象的比喻。大家都知道,工厂是用来生产产品的,细胞工厂则是让小小单细胞生物帮忙制造我们需要的东西。它们吃掉一些像葡萄糖、蛋白胨这样的“食物”,然后在合适的温度和酸碱环境中,生产出各种有用的物质。

比如链球菌吃掉“食物”之后,可以制造出透明质酸,链霉菌吃掉“食物”后,可以制造出青霉素。以前,我们需要从动物或植物中提取原料;现在,通过发酵技术,细胞工厂可以帮我们更高效地制造,不仅节省了成本,还让生产变得更快更方便。

“合成生物”和“发酵”有什么关系?

第一代生物科技,是用自然界里的菌群来发酵,比如酿酒、酿醋和酿酱油。人们早在八千年前,就开始利用自然菌群发酵酿酒了。

第二代生物科技是工业文明的产物。和第一代不同的是,人类找到了有特定功能的微生物来发酵,这样就能把自然资源变成人们需要的产品。味精和透明质酸就是第二代生物科技的代表性产品。

合成生物是第三代生物科技。它在第二代的基础上,修改了微生物的基因(就是上文提到的 ATCG)。这样,微生物就能生产更多东西,或者生产原来生产不了的东西。比如,用了合成生物后,酿酒酵母不仅能酿酒,还能生产青蒿素、人参皂苷和红景天苷!是不是很神奇呢?

而目前我们所知道的不少知名的合成生物企业,都是“发酵大厂”,在微生物发酵技术上更胜一筹,比如国内合成生物第一梯队的华熙生物,通过微生物发酵法大规模生产透明质酸,引领了数次透明质酸产业革命。现在已经成为合成生物全产业链平台企业,并通过合成生物技术生产出了微真、麦角硫因、重组人源胶原蛋白等多种生物活性物质原料。

可以说,合成生物技术的诞生,宛如一把钥匙开启了通往未来世界的大门。它不仅极大地方便了我们的生活,更通过重塑地球资源,助力可持续发展。毫无疑问的是,未来随着合成生物技术的逐步成熟和应用拓展,将带给我们更大的惊喜及更深刻的变革。