央广网|合成生物学将带给倾覆性别变化革

2020-04-10 17:44 来源:未知

  人工设计的细胞将可在体内定时为患者输送药物;通过基因设计可以控制家蚕、蚊子等昆虫的性别;基因编辑可以使育种速度成倍提升……你可知,这些都是合成生物学带来的神奇改变。

智能手机可用来发微信、玩游戏、看视频,但你见过智能手机用于治疗疾病吗?7月1日,在沪召开的第三届合成生物学青年学者论坛上,华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室叶海峰研究员展示了他不久前发布的一项科研成果——智能手机远程调控诊疗糖尿病。

  作为第三次生物技术革命,合成生物学将给人类社会生活带来颠覆性的变化。前两次生物技术革命分别是继DNA双螺旋发现所催生的分子生物学,以及“人类基因组计划”所催生的基因组学。记者从昨天在沪闭幕的“第三届合成生物学青年学者论坛”上获悉,几年前还如同天方夜谭的“人造生命”,已开始从实验室走向产业化。

让定制化细胞自行分泌胰岛素

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近年来,随着移动通讯和互联网技术的快速发展,智能手机在血糖监控中已经有了应用。但是,目前智能手机对糖尿病患者仅有诊断和检测功能,无法实现对其治疗。这项研究巧妙地将合成生物学与电子工程学相结合,开发了一种集糖尿病诊断和治疗为一体的智能诊疗新系统,首次实现通过智能手机超远程调控治疗糖尿病的目的。

叶海峰实验室尝试用手机APP控制植入小鼠体内的人工细胞分泌胰岛素。(叶海峰实验室供图)

糖尿病传统的治疗方法需要每天注射胰岛素或餐前服用降糖药物,对病人来说非常痛苦。而使用叶海峰的这一研究成果就能避免体外注射。叶海峰利用合成生物学理念,设计合成了远红光调控基因表达的定制化细胞。“这种细胞在远红光的照射下,就可以自行表达分泌胰岛素。”叶海峰说,将硬币大小的含有定制化细胞的水凝胶LED复合体植入体内,再通过手机软件控制LED,就可以实现用手机超远程控制细胞表达分泌胰岛素。“定制化细胞可以用人体自身的细胞进行遗传改造合成,不用担心伦理和安全问题。”

对基因认识不断深入

叶海峰介绍,目前该研究实验室研发阶段已经基本完成,正在进行大鼠实验,离人体实验和应用还有一段距离。该治疗方法降血糖效果见效非常快,只需要用红光照射1—2小时,血糖就显著降低到正常水平。“我们目前开发的智能手机治疗糖尿病还是半自动化的,下一步目标就是做全自动化的诊疗系统。”叶海峰表示,希望政府和资本在临床转化研究上给予更多支持。

  今年3月,美国《科学》杂志以特刊形式,发表了“人工合成酵母基因组计划”的里程碑式阶段性成果———继2014年美国科学家人工合成真核生物酵母3号染色体后,新的五条酵母人工染色体也被成功合成,来自中国的三个研究团队完成了其中四条的合成任务。

合成生物学或可改变传统生产方式

江西快3开奖结果,  带领实验室完成了其中最长的那条染色体合成的清华大学生命科学院戴俊彪研究员,在报告后接受记者采访时表示,这一成果显示科学家合成基因的能力达到了一个新的高度,同时也使人类对基因的了解进一步深入。“在合成染色体的过程中,我们发现DNA上还有大量的‘暗物质’是我们所不了解的,而它们和基因的启动、功能增强和削弱,以及DNA的空间折叠等息息相关。”他说,这些无知都限制了我们对基因组的设计能力。然而,不动手合成,就不会对基因组有更深入的了解———从合成基因组,到加深了解,再到提升合成设计能力,一个螺旋形上升的良性循环正在形成。

用光控制细胞胰岛素的表达分泌,这是普通细胞无法做到的,通过人工设计合成或改写细胞基因组,就可以实现这一功能,这就是合成生物学的神奇之处。

  去年被英国《自然》杂志评为年度十大科学人物之一的中科院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员,也来到这次论坛上。她将基因编辑技术CRISPR-Cas9用在植物上,实现了在不遗留外源DNA的情况下,对植物基因进行精确编辑。她认为,作为合成生物学的手段之一,基因编辑为人类了解更多基因的功能、更复杂庞大的基因组提供了很好的技术手段。她的课题组正着手研究小麦基因组———它比水稻基因组的数据量大了很多,结构更复杂,以前因为难度太高而不敢涉猎,现在“研究小麦的春天到了”。

合成生物学是继DNA双螺旋发现所催生的分子生物学和“人类基因组计划”实施所催生的基因组学的第三次生物技术革命,将引发新一轮的世界科技革命。

“细胞药厂”呼之欲出

“合成生物学的核心就是‘写’。”中科院上海植物生理生态研究所、中国科学院合成生物学重点实验室副主任王勇研究员介绍,从系统生物学到合成生物学的跨越,标志着人类已经从解读基因进入改写基因的时代。通过基因组设计合成,特别是人造生命合成,可以迅速让生命体的性能得到巨大提升,突破自然选择、进化的缓慢过程。

  千万别以为合成生物学还只是实验室里摆酷的研究,它其实已经在向实际应用的产业化道路上迈进。

合成生物学还可能会颠覆产业。“举个例子,有些中草药对生长环境要求很高,而且生长缓慢,有效成分含量低。有了合成生物学就可以通过改写酵母基因生产有效物质。只需要一小块地,厂房里标准化生产,很短时间就可以得到纯度更高、更安全、可用于医疗的有效成分。再比如家蚕,雄蚕吐丝质量好,但幼蚕的性别无法区分,通过合成生物学技术就可以控制家蚕的性别并筛选雄蚕。”王勇透露,目前这些中科院的研究成果有不少已在进行产业应用。

  就在两个多月前,华东师范大学的叶海峰研究员在美国《科学-转化医学》杂志上发布了最新成果:他巧妙地将合成生物学与电子工程学相结合,开发出了一种集糖尿病诊断和治疗为一体的智能诊疗新系统。

和国外合成生物学发展状况相比,我国在此领域的论文发表数量已排名全球第二,但产业应用仍相对薄弱。“美国在合成生物学这个学科诞生后,迅速有上千家中小企业成立,人才和资金都投入到这一新兴产业。”王勇呼吁,希望政府给予合成生物学更多鼓励和支持,从基础研究、产业配套到人才培养全面布局。

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