香山科学会议第322次学术讨论会简介

香山科学会议第322次学术讨论会简介会议主题:合成生物学魏江春2008年06月16日背景香山科学会议是由科技部（原国家科委）发起，在科技部和中国科学院的共同支持下于1993年正式创办，相继得到国家自然科学基金委员会、中国科学院学部、中国工程院、教育部、解放军总装备部和国防科工委等部门的资助与支持。上述各单位均为香山科学会议的理事会成员单位。背景•香山科学会议的宗旨是：创造宽松学术交流环境，弘扬学术民主风气，面向科学前沿，面向未来，促进学科交叉与融合，推进整体综合性研究，启迪创新思维，促进知识创新。背景新的学术思想和新方法、分析新学科的生长点以及交叉学科的新问题基础研究的科学前沿问题与我国重大工程技术领域中的科学问题均可作为会议主题。会议侧重于：探讨科学前沿、展望未来发展趋势、讨论最新突破性进展、交流。背景香山科学会议实行执行主席负责制，以评述报告、专题发言和深入的自由讨论为基本方式，报告时间与讨论时间的比例大体为1：1至1：2。要求报告人以过去的研究积累为基础，涵盖最新，信息把握最新动向，发表新的见解。同时，鼓励对原有理论提出质疑，提倡发表不同意见，并提出有独创性的思考与见解。背景•香山科学会议每年分两次公布全年的会议安排，每年1月1日发布上半年的会议安排计划，7月1日发布下半年会议安排计划。申请者可以集体或个人的名义自由申请召开香山科学会议。申请的会议主题经过同行专家评议后，由理事会最后审定。会议主题确立后，该主题的申请人、执行主席与香山科学会议的学术秘书共同磋商，确定会议召开的日期、中心议题、评述报告、专题发言与人员安排。对所有的申请，我们都会在很短的时间内以书面的形式给予答复。背景•会议宗旨组织机构（理事会、组织委员会）会议主题遵循的原则多样化学术活动学术讨论会会议执行主席与会人员会议申请会议经费香山科学会议2008年上半年会议计划表会次会议主题执行主席会议日期318中医药发展思路与继承创新思维和方法陈竺王永炎颜德馨陈可冀刘德培02.23～24319中国全民健康保障问题与对策刘德培孙九林俞梦孙尹岭02.26～283202007/2008国际极地年及未来极地研究的科学前沿孙枢秦大河汪品先严俊杨惠根04.02～04321经济计算与政策模拟林群李善同王铮05.06～08322合成生物学研讨魏江春张春霆TerryHwa汤雷翰孙之荣05.12～13323本草物质组梁鑫淼惠永正蒋华良杨胜利05.20～22324现代科学技术体系总体框架的探索朱照宣戴汝为于景元王众托马蔼乃05.27～29325新一代非易失性的电阻型存储器07.08～09326精密测量物理和方法叶朝辉李家明罗俊07.13～15327肿瘤纳米技术与纳米药物10.21～23生命1.0版本•36亿年前，一个微小的生命细胞在地球的荒野中诞生，它自我复制，它的后代们继续复制自我，就这样，随着遗传基因一代代变异，延续数十亿代。今天，每个生物体——每个人、植物、动物和微生物——都能从第一个细胞找到自己的起源。迄今为止，地球的生物大家族是我们在宇宙发现的唯一存在的一种生命。生物大家族中的新成员•不过现在，将会有一些新成员加入到这个生物大家族。在过去这些年里，科学家一直在尝试从零开始制造全新的生命形式——用化学物质造出合成ＤＮＡ（脱氧核糖核酸），由ＤＮＡ合成基因，再由基因形成基因组，最终在实验室造出全新生物体的分子系统，而这种生物体在自然界从未出现过。•这些向“造物主”的垄断地位发起挑战的人包括工程师、计算机学家、物理学家和化学家。他们以有别于传统生物学家的视角看待生命，并在2003年开创了一个全新的研究领域——合成生物学。由DNA重组技术到合成生物学•理念：为细胞编写“基因软件”自然演化的有机体（即生物学家所谓的“生命1．0版本”）的基因组图谱正在以前所未有的速度被绘制完成，而其中的遗传密码也将被逐渐解开。合成生物学家认为，他们可以利用这些已知信息来设计、打造新生命形式。在过去，遗传工程一直拘囿于对已有的遗传密码进行简单修补改造，比如从一种细菌中提取一个基因，然后植入玉米或猪的染色体。而合成生物学所要打造的生命种类是全新的——它不是任何一个原始母细胞的后裔，也没有哪个物种是它的祖先。其实在本质上，这是一个逆自然的过程。合成生物学•如果说1953年ＤＮＡ双螺旋分子结构的发现让分子生物学家意识到，基因与细胞的关系就像计算机的软件和硬件，那么合成生物学正在做的就是设计新“软件”、开发新“硬件”。生物资源研究的三个层次物种资源基因资源①1828年，德国化学家Wohler人工合成了存在于生物体内的一种有机物质-尿素，从而打破了“生命”与“非生命”之间的物质壁垒。②1960，我国科学家首次合成了具有生物活性的蛋白质-胰岛素。③当人类进入基因组和后基因组的二十一世纪的今天，科学家正在为人工合成生命而努力。有活性的X174噬菌体(5386个bp)和脊髓灰质炎(7500个bp)已被科学家先后合成。④Mycoplasmalaboratorium⑤人工生命(以人工设计为主导)合成生物学DNA重组技术物种生物学转基因生物一亿种:140万种(占1.4%)全球九大新兴科技展望•合成生物学•通用翻译•纳米导线•拜埃斯氏技术•T射线•核糖核酸干扰分子疗法•大电网的控制•微射流光纤•个人基因组学syntheticbiology•合成生物学(syntheticbiology)一词最早出现于1911年7月8日著名医学刊物《柳叶刀》TheLancet.ReviewsandNoticesofBooks.TheLancet,1911.178(4584):97-99.[1]发表的一篇书评中。•后来虽然断断续续出现过多次,但在1980年第一次以“基因外科术:•合成生物学的开始”为题出现在德文刊物[2]的一篇长篇论文。Hobom,B.[Genesurgery:onthethresholdofsyntheticbiology],MedizinischeKlinik,1980,75(24):834-841.•随着人类基因组计划的完成,2000年以后,合成生物学一词在学术刊物及互联网上逐渐大量出现。合成生物学论文增长情况合成生物学的定义•加州大学伯克利分校(UCB)的化学工程教授Keasling说:合成生物学正在用“生物学”进行工程化,就像用“物理学”进行“电子工程”,用“化学”进行“化学工程”一样。•哥伦比亚癌症研究中心、测序及基因组科学中心主任Holt说,合成生物学与传统的重组DNA技术之间的界限仍然是模糊的。从根本上说,合成生物学正在利用获得的“元件”进行下一层次的工作———对细胞进行实际的工程化。合成生物学的定义•哈佛大学医学院遗传学教授、计算遗传学中心主任Church说,主要的出发点是在把合成生物学与现有的领域(例如基因工程或细胞工程)分离开来。我们已经在一次涉及一个“零件”或少量“零件”。合成生物学是利用我们所确信的一些“零件”进行新生物系统的工程。它在利用从系统生物学(systemsbiology)得出的最好分析去加工制作及检验复杂的生物机器.合成生物学的定义•明尼苏达大学物理系教授Noireaux说,合成生物学的定义是令人困惑的,在很多方面就像生命的定义一样困惑。作为一个物理学家,会喜欢建造机器、机器人。这正是我们试图利用生物分子要做的事情。这看起来像工程,但也面临许多基础问题。合成生物学的定义根据上述情况,我们推荐“合成生物学组织”网站[4]上公布的合成生物学的定义,合成生物学包括两条路线:(1)新的生物零件、组件和系统的设计与建造;(2)对现有的、天然的生物系统的重新设计。这两条路线的目的都是为了造福人类社会。合成生物学发展的技术基础随着人类基因组计划的胜利完成,一些基本技术,例如基因组测序和DNA从头合成速率,已取得里程碑性的突破。如图2所示,基因组测序速率过去10年增加了500倍以上,而测序成本下降了3个数量级以上。据预测,新的测序技术将使人的基因组测序成本降低到1000美元[5]。合成生物学发展的技术基础DNA合成速率过去10年增加了700倍以上,每年都在翻番。更为重要的是利用可编程的DNA微芯片,实现了精确的多通道基因合成[6],从而可在短时间合成大的DNA片段,而且错误率很低,组装一个14.6kb的DNA只有两个错误,这就导致DNA的合成成本大大降低。合成生物学的研究方法•合成生物学的工程本质•合成生物学新学科综合应用包括分子生物学、工程学、化学、数学、物理学、信息学等不同学科的知识,进行设计及实现新的细胞行为,这是通过包括新的蛋白质、基因线路、信号级联及代谢网络的构建等种种生物工程努力来达到的。通过元件及基因线路的从头构建,合成生物学的目标是既要改进我们对自然现象的定量理解,又要促进培育一个工程学科以可预测的及可靠的方式得到新的复杂的细胞行为。合成生物学的研究方法•将合成生物学涉及的生物系统分成DNA、零件、装置、系统这样4个层次。•美国普林斯顿大学电子工程系与分子生物学系的Weiss等[10]发表了题为“合成生物学:对于一个刚出现学科的新的工程作用”的综述。他们概括了合成生物学新学科的基本性能以及与其它工程学科相比的独特性;讨论了从生物装置、模块、细胞到多细胞系统各个层次进行设计和建造工程细胞的方法.借鉴化学工程及电子工程的思路进行合成生物学研究•合成生物学的核心观念认为生命的所有零件都能由合成(即化学法)而制造,进而通过工程化并组装成实用的生物组织。2000年,斯坦福大学的化学教授Kool等人在美国化学会年会上提出用有机化学及生物化学的合成能力去设计非天然的、合成的分子,进而使这些分子在生命系统中有活性功能。大规模集成电路技术•通常人们认为DNA遗传密码是指挥控制生命的软件(software),而细胞膜及细胞内所有的生物机器被认为是生命的硬件(hardware,在合成生物学中也常称为wetware)。这种对生命系统软件与硬件的认识可以借助于电子工程(大规模集成电路技术、电子计算机硬件与软件技术等)的研究方法、基本技术与工具。就像技术人员现在用标准化的、现成的电子元件组装成计算机一样,合成生物学工作者预计有一天,工程师可以将充分表征的生物原件组装成健壮的宿主生物体,其具有特定的生物功能。例如:可将生物质转化为生物燃料,或低成本地生产高效药物,或可以检测及去除污染物.细胞底盘机架对于合成生物学来说,创建一个细胞底盘机架(cellularchassis)用来安装我们设计的生物零部件是非常重要的。在细胞底盘机架中可以集成来自各个子系统的信号以使其有复杂的细胞功能。细胞底盘机架必须为细胞生长及组件工作提供各种组分,应该有各种标准的连接,而且足够稳定以便能在工业上应用。大肠杆菌可以认为是一个性能优良的微生物,可用作一个细胞底盘机架。研究框架的三个层次•知识层次主要包括:设计(design)、组合(composability)、表征(characterization)、标准化(standardization)、抽象(abstraction)。•技术层次主要包括:零件(parts)、装置(devices)、底盘机架(chassis)。•技术集成层次:必须依靠知识层次的基础知识来构建技术层次的零件、装置和底盘机架,而技术层次的发展又会促进知识层次的积累。通过技术层次的积累可以逐渐集成为全功能系统,即包含寻找肿瘤细胞的微生物、制药微生物等系统的第三个层次。SynBERC研究框架包括三个层次知识层次技术层次技术集成层次设计组合表征标准化抽象零件装置底盘机架国外合成生物学的发展规划•人类基因组测序项目完成后,美国能源•部启动的GTL(GenomeToLife)计划就涉及“合•成基因组研究项目”,包括:“从可编程的DNA•微芯片进行精确的、低成本的基因合成”、“构建一个合成的基因组”等。美国国家自然科学基金•2006年投入2000万美元资助建立“合成生物学•工程研究中心”(SyntheticBiologyEngineering•ResearchCenter-SynBERC),由UCB、哈佛大•学、MIT、加州大学