跨越一个多世纪，起底合成生物学领域的奠基性人物
跨越一个多世纪，起底合成生物学领域的奠基性人物
合成生物学被视为21世纪生命科学领域最具颠覆性技术之一，正在带来继“DNA双螺旋结构”、“基因组技术”之后生命科学领域的第三次革命。其核心思想是通过工程学“自下而上”的理念改造生命或者从源头开始构建一套具有各类用途的人造生命系统，从而实现对生物技术的全面革新。
赵国屏曾在一篇评述文章中指出，合成生物学与纳米材料、人工智能、大数据科学、自动化等交汇融合，将开辟一个全新的生物技术世界，并为培育绿色工业经济、破解疾病和衰老难题、保障粮食有效供给、保护绿色生态环境等提供解决方案。
通过理性设计元件，巧用微生物细胞工厂造万物，这种底层技术已经广泛应用于医疗健康、能源、化工、农业、食品等多个领域。从Jay Keasling团队利用合成生物学方法构建合成青蒿素的前体、到利用垃圾和木屑等废弃物生产生物燃料、通过酶法回收塑料再循环以及生产生物基材料、再到捕获二氧化碳人工合成淀粉和脂肪酸……
繁荣背后是无数科学家们孜孜不倦、锐意进取的科学精神和奋斗历程。在此，生辉 Synbio 基于科学论文和公开资料起底了合成生物学领域的奠基性人物。
（来源：EMBO reports）
根据公开资料，“Synthetic Biology”一词由法国物理化学家Stéphane Leduc于1911年在其著作《生命与自然发生的物理化学理论》（Théorie physico-chimique de la vie et générations spontanées）一书中首次提出。1980年, 该词首次出现在一则德语刊物中以《基因外科术：合成生物学的开始》为题的长篇论文中，这是合成生物学历史上其涵义与现代合成生物学较为接近的一次。
领域内普遍认为，现代合成生物学“synthetic biology”概念的提出始于2000年。2000年，Eric Kool在美国化学学会年会上重新提出“合成生物学”这一概念，基于系统生物学的遗传工程，从基因片段、人工碱基DNA分子、基因调控网络与信号转导路径到细胞的人工设计与合成，将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程等生物技术领域。合成生物学、计算生物学与化学生物学共同构成系统生物技术的方法基础，现代合成生物学的概念由此诞生。
但直到上世纪中期，合成生物学的理论和技术基础才逐步建立起来。合成生物学技术经历了漫长的发展和演进，从James Watson和Francis Crick发现DNA的双螺旋结构、Herbert Boyer和Stanley Cohen等发表质粒DNA的分子克隆和扩增、Werner Arber等发现限制性核酸酶、PCR技术的发明、到Tom Knight发明标准化DNA部件BioBrick质粒、Jay Keasling团队在大肠杆菌中设计了青蒿素前体途径、再到第一个合成细菌基因组的诞生等等。
分子生物学的成就催生了基因工程技术，也正式开启了合成生物学的大门。每一步的进展都是合成生物学技术成熟的关键和基础。下面是一些早期最具奠基性的工作：
一种说法认为，现代合成生物学的起源最早可以追溯到1961年Francois Jacob和Jacques Monod取得的具有里程碑意义的进展。他们在大肠杆菌乳糖操纵子的研究中，假设分子网络参与细胞调控，并设想利用分子成分组装新系统的能力。
Francois Jacob是一名法国生物学家，Jacques Monod是一名法国生物化学家，两人因研究大肠杆菌乳糖操纵子而闻名，他们提出了一个模型控制细胞中某些蛋白质的水平。两人与André Lwoff于1965年凭借在酶和病毒合成遗传控制中的发现工作获得了1965年诺贝尔医学或生理学奖。
图 | 左为 Jacques Monod，右为 Francois Jacob（来源：维基百科）
另一种说法认为，Herbert Boyer和Stanley Cohen于1973年在《国家科学院院刊》上发表了首次质粒DNA的分子克隆和扩增，这被视为开创了合成生物学的先河。
Herbert Boyer和Stanley Cohen都曾获得美国国家科学奖章和美国国家技术奖章，并且都是美国国家科学院院士。他们是第一批实现不同生物体移植基因的科学家，成功在体外构建生物功能细菌质粒，发明了永久改变生命科学研究进程的基因重组技术，奠定了重组生物技术时代的基础。基于他们的工作，已经开发出数千种产品，包括人类生长激素和乙肝疫苗。两人后续还共同合作创办了基因泰克公司。
免疫学家Hugh McDevitt这样描述两人的工作，“DNA克隆技术帮助了几乎所有领域的生物学家，如果没有它，生物医学和生物技术的面貌将完全不同。”
图 | 左为 Stanley Cohen，右为 Herbert Boyer（来源：MIT 官网）
还有一种说法是，Tommas Knight发明了最广泛使用的标准化DNA部件BioBrick质粒（一种DNA构件），这是合成生物学领域最早建立的DNA标准化组装方法，并开始创建BioBrick库，用于简化大肠杆菌细胞的基因工程。后续，BioBrick构成了每年一度的大型iGEM竞赛的基础。
Thomas Knight是计算机科学的先驱，也被称为合成生物学教父。20世纪90年代，利用自己的计算机科学背景创建了BioBrick，并建立了麻省理工学院标准生物部件注册中心。2009年，他共同创立了Ginkgo Bioworks，并于2021年上市，股票代码为DNA。他也是国际科学竞赛iGEM的联合创始人。
图 | Thomas Knight（来源：Society for Science）
也有说法认为，合成生物学的奠基者之一、美国斯坦福大学Drew Endy教授提出了，标准化（standardization），去耦合（decoupling）和模块化（modularization）是合成生物学的重要原则，这一认识在学界内部得到广泛肯定。这些指导原则使得领域内实现从早期简单、仅包含两三个基因的扳键式基因开关（genetic toggle switch）到近期包含十数个基因的复杂基因程序（genetic program），合成生物学已经设计出上千个生物系统以赋予细胞各种崭新的生物学功能。
图 | Drew Endy（来源：维基百科）
Drew Endy与Thomas Knight等共同研究合成生物学以及标准化生物组件、设备和部件BioBrick，也是麻省理工学院标准生物部件注册中心的几位创始人之一。2013年3月，Drew Endy领导的研究小组发明了晶体管的生物等效物，他们称之为“转录器”，这项发明是构建功能齐全的生物计算机的重要组成部分。转录器使用特殊的酶组合控制运动，从而调节RNA聚合酶在DNA链上的流动。
合成生物学作为一门迅速发展的新兴科学，离不开众多奠基性人物的智慧、创新与努力。从早期概念的提出到如今实际应用的落地，这些先驱们在基础理论和技术上取得了突破，也为后续研究铺平了道路。
参考链接：
1.https://cjb.ijournals.cn/cjbcn/article/pdf/gc22114001
2.https://stcsm.sh.gov.cn/xwzx/kjzl/20230712/52b053d56baa487c96cd2877ad6ab1d3.html
3.https://isynbio.siat.ac.cn/liulab/uploadfile/upload/file/20171119/2017111921275878.pdf
4.https://symposium.cshlp.org/content/26/193.short
5.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC427208/
6.http://www.xml-data.cn/KXYSH/html/ebd3d93a-43ef-46ff-80e8-b1c7350d1f72.htm