從使能技術(shù)創(chuàng)新到工程化平臺建設

顛覆性使能技術(shù)是支撐合成生物學發(fā)展的關鍵，而?DNA?合成以及高效基因組編輯技術(shù)都是其核心使能技術(shù)。現(xiàn)有基因合成的主流方法是基于寡核苷酸合成儀來合成寡核苷酸，然后在此基礎上利用?PCR?等手段來進行基因合成；該技術(shù)的工程化使合成通量大幅度提高，催生了眾多生物公司開展基因合成業(yè)務，合成價格也因此極大降低。但是，為進一步降低超長序列（如基因組）合成的成本，不少團隊正在研發(fā)基于芯片法合成高精度寡核苷酸池，配以不同的拼接手段實現(xiàn)最后拼接的方法。除化學合成寡核苷酸的方法外，科學家也在探索利用末端轉(zhuǎn)移酶（terminal deoxynucleotidyl transferase, TdT）直接快速合成?DNA，有希望直接合成比目前方法長?10?倍的?DNA?鏈，且不需要使用毒性化學物。當然，隨著?DNA?合成價格的降低，基于?DNA?的信息存儲也將是未來一個很有前景的發(fā)展方向。

科學家一直在探索實現(xiàn)對基因組（特別是高等生物基因組）的精準編輯，曾研發(fā)了鋅指核酸酶（Zinc-finger nucleases, ZFN）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應因子核酸酶（transcription activator-like effector nucleases, TALEN）等方法。由于?CRISPR?系統(tǒng)的高效、方便、廉價等優(yōu)點，這兩種方法在?CRISPR?系統(tǒng)發(fā)展起來之后被逐漸淘汰。從?2012?年起，科學家利用?CRISPR-Cas?體系的可編程和精準切割等特點陸續(xù)發(fā)展了一系列基因組編輯的工具，其宿主范圍目前已經(jīng)覆蓋了從細菌到高等生物，而且還在不斷增加中。

CRISPR-Cas?介導的基因組編輯的基本原理是利用向?qū)?RNA?介導?Cas?蛋白在特定的靶標序列處引起?dsDNA?的斷裂，然后利用同源重組方法進行精準的?DNA?序列替換或利用非同源末端連接方法進行靶標基因的中斷。在此基礎上，一系列衍生方法得以發(fā)展，如利用只切割一條鏈的?Cas9?切口酶（Cas9-nickase）突變體連組合來降低基因組編輯的脫靶率。最近，基于?CRISPR?發(fā)展起來的單堿基編輯器在不造成靶標?DNA?斷裂的情況下，通過對特定的堿基進行脫氨來進行基因組的精確編輯，被認為有較好的發(fā)展前景。此外，利用失活的?Cas?蛋白還可以進行靶標基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、表觀遺傳修飾研究和基因組的成像等。值得一提的是，除了基因組編輯外，Cas13、Cas12?以及?Cas14?等蛋白在結(jié)合了靶標?DNA?后會誘發(fā)其旁路切割活力，進而被開發(fā)成下一代分子診斷技術(shù)；在該方向上，我國的科學家也做出了原創(chuàng)性的成果。

生命體具有高度復雜性，人工設計的基因線路很難完全按照預期工作，往往需要長時間的反復調(diào)諧。克服這一難題的最有效手段，是建立工程化研究平臺，大批量測試多種元件、線路、底盤的組合，獲取海量實驗數(shù)據(jù)，以指導進一步工程優(yōu)化與理性設計。工程化平臺的核心合成生物研究的自動化設施，亦稱為生物鑄造廠，依照“設計—構(gòu)建—測試—學習”的閉環(huán)策略組織工藝流程，進行工程化的海量試錯，從而快速獲得具有目標功能的合成生命體。如美國勞倫斯伯克利國家實驗室的?Agile BioFoundry，美國伊利諾伊大學的?iBioFAB，美國麻省理工學院的?MIT-Broad Foundry，英國帝國理工學院的?London DNA Foundry，以及產(chǎn)業(yè)界的?Amyris?公司、Zymergen?公司、Ginkgo?公司等。在此背景下，我國規(guī)劃由中國科學院深圳先進技術(shù)研究院承擔建設全球最大的合成生物研究重大科技基礎設施。值得指出的是，從原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)業(yè)化應用，僅僅依賴于自動化設施是不夠的。例如，人工酵母細胞生產(chǎn)青蒿素，是合成生物學領域目前最成功的產(chǎn)業(yè)化案例。項目領導者美國?Jay Keasling?教授，圍繞工程化平臺建立了完整的研發(fā)體系——由勞倫斯伯克利國家實驗室負責上游原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合生物能源研究所（JBEI）負責中游技術(shù)開發(fā)，Amyris?公司負責下游產(chǎn)業(yè)應用的創(chuàng)新鏈條。這些圍繞工程化平臺的體制與機制創(chuàng)新，值得深入研究與思考，為充分發(fā)揮我國重大科技基礎設施對合成生物學研究、創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)的巨大推動作用提供重要借鑒。

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