作者:郑庆飞 来源:中国科学报 发布时间:2013-4-17
选择字号:
从合成化学走向合成生物学
图片来源:百度图片

 
“如果把海南岛上所有的天然橡胶都收割来用于做鞋,全中国每人一只都不够,没有合成橡胶技术,我们连鞋都不够穿。”人类今天的衣食住行能够得到满足,合成化学功不可没。
 
合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。
 
■郑庆飞
 
合成化学功不可没
 
合成化学,这一概念大家也许并不陌生。早在1902年,第二届诺贝尔化学奖颁发给合成化学大师、生物化学之父——Emil Fischer;1905年诺贝尔化学奖则颁发给Fischer的导师、化学染料合成大师——Adolf von Baeyer,这两位合成先驱的高超合成技法至今看来仍然精彩至极。
 
此后又有多位合成化学家陆续斩获诺贝尔化学奖。可以说在百年诺奖历史上,合成化学家的名字举不胜举,合成化学在人类发展过程中的重要地位也可见一斑。
 
所谓合成化学,就是使用简单、易得、廉价的化学原料通过一系列的化学反应最终得到目标产物。合成化学并不狭义地仅限于有机合成化学,无机合成化学、纳米化学都是典型的合成化学,因成功制备单质F2而获得诺贝尔化学奖的药剂师Moissan以及因为发明合成氨方法而获得诺贝尔奖的Fritz Haber也是著名的合成化学家。
 
我的一位化学启蒙老师曾说:“如果把海南岛上所有的天然橡胶都收割来用于做鞋,全中国每人一只都不够,没有合成橡胶技术,我们连鞋都不够穿。”人类今天的衣食住行能够得到满足,合成化学功不可没。
 
合成化学的局限
 
然而,随着工业化的发展,越来越多的问题也开始浮出水面。上个世纪,《寂静的春天》一书犀利地指出了人类化学工业发展给自然带来的巨大问题,其中充满讽刺意味的是引起严重污染的DDT分子。其作用发现者和推广者Paul Hermann Müller却在1948年获得诺贝尔生理学或医学奖。DDT此后一度被禁止使用并且引发了科学家们对于合成化学危害性的进一步讨论。
 
但是故事远没有结束,由于暂时还未能找到一种更经济有效、对环境危害又小且能代替DDT的杀虫剂,世界卫生组织于2002年宣布,将重新启用DDT用于控制蚊子的繁殖以预防疟疾、登革热、黄热病等在世界范围的卷土重来。
 
随着地球上石油储备的日渐减少,合成化学面临着新的挑战,目前以石油工业为基础的化学合成工业未来将何去何从引人深思。悲观者认为,随着石油的耗尽,人类将逐渐倒退回石器时代;乐观者认为,聪明的合成化学家一定能开发出新的廉价原料以替代石油化工原料。
 
斯坦福大学化学系主任、著名化学家B.M.Trost提出了他的解决方法:化学反应的“原子经济性”(Atom economy),即在化学品合成过程中,合成方法和工艺应被设计成能把反应过程中所用的所有原材料尽可能多地转化到最终产物中。
 
如果原料能百分之百地转化为产物,那是令人满意的,因为这样可以尽可能减少副产物对于环境的污染和对于资源的浪费。但是这仅仅是一个退守的方案,而并不是一个最终的解决办法。现有的常见原料迟早都会耗尽、大量低沸点有机溶剂的使用始终难以避免、重金属催化的反应越来越多……如果没有革命性的新理念,恐怕多年后合成化学将面临更大的危机。
 
“年轻”的合成生物学
 
近年来,“合成生物学”的概念开始进入我们的视野。
 
ACS(美国化学学会)在2012年推出关于合成生物学的杂志ACS Synthetic Biology;我国天津大学、中科院植生所、武汉大学药学院、中科院生物物理所纷纷成立合成生物学及相关平台;清华大学生命科学院教授陈国强、戴俊彪都无私提供自己的科研实验室支持本科生进行合成生物学研究探索。
 
那么,何谓“合成生物学”呢?
 
2000年E. Kool将之定义为基于系统生物学的遗传工程,从基因片段、人工碱基DNA、基因调控网络与信号传导路径到细胞的人工设计与合成,类似于现代集成型建筑工程,将工程学原理与方法应用于遗传工程与细胞工程的生物技术新领域。
 
很多人狭义地认为合成生物学就是“全合成生命”,即利用化学合成的方法从头合成一个具有生命活力的细胞或病毒。而实际上,合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。
 
助解多种难题
 
那么,合成生物学有望解决哪些问题呢?
 
首先是能源问题。
 
石油、煤、天然气都来自于古代植物对于太阳能的积累,是将太阳能转化为化学能储存的反应过程。严格地说这些都应该是可再生资源,但是亿万年的形成周期实在让人类无法等待,因此这些资源成为了“非再生资源”。
 
那么是否能够加速这一过程?是否可以通过合成生物学构建新的生命反应体系快速有效地固定太阳能并转化成更够为人类利用的化学形式?
 
某些经过合成生物学方法改造过的光合藻类富含大量的脂质,被人们称为“生物柴油”,目前已经有一些使用“生物柴油”的热机问世。但是此项研究问题不少,远远不足以解决日益严峻的能源危机问题,这需要更多代的科学家不懈努力。
 
其次是化工原料问题。
 
我们的祖先早已开发出了酿酒、酿醋等微生物发酵技术,除了食用,乙醇和乙酸都是重要的工业原料。除此之外,微生物还能通过糖酵解等过程为我们提供丁醇、乳酸、甲烷等工业原料。通过其他方法,还可以从中获取甘油、丙酮酸、氨基酸等具有潜在工业价值的原料。
 
或许很多年后,工业上不再使用乙烯生产量来衡量化工生产能力,而开始利用全新的模块、原料来构建新的工业大厦,这些原料不再来源于石油,而是从发酵罐中源源不断取来。
 
第三,则是医药健康问题。
 
真菌、放线菌、植物能够产生结构新颖、生物活性多样的次级代谢产物,大部分临床抗生素来源于这些次级代谢产物。其中很多药物分子由于天然含量低、提取困难等因素,目前还是通过全合成或半合成为主要方式得到,因此价格昂贵。
 
通过合成生物学手段,将产生这些代谢产物的基因簇进行异缘表达并利用发酵工程进行大规模制备,将可能是一个解决药品供应和价格昂贵问题的方法。但是这一过程并不容易实现,需要涉及到很多代谢途径改造、密码子优化、瓶颈效应避免等问题。绝不是说只要发现的天然产物就可以立刻大规模发酵得到,每一个化合物的工业化生产都是一个巨大的挑战。
 
此外,合成生物学还有助于解决环境问题。
 
“白色污染”成为上个世纪人类最为头疼的环境问题之一,可降解塑料的研究也成了科学界的热点问题。“生物塑料”是一个比较新的概念,目前发现60个属以上的细菌能够合成并贮藏聚β-羟基丁酸(PHB)的颗粒。PHB无毒、可塑、易降解,可用于制作医用塑料器皿和外科手术线等。
 
通过合成生物学手段有望得到更高产、更多样性的生物塑料生产菌株。取之于自然、用之于自然,人与其他生物和谐相处,这将是解决环境问题的必由之路。
 
(作者单位系中科院上海有机化学研究所)
 
 
《中国科学报》 (2013-04-17 第6版 生物)
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 
SSI ļʱ
相关新闻 相关论文

图片新闻
薇甘菊:“疯狂”的植物杀手 科学家研制出“活砖头”
银杏凭什么能活千年? 2019年中国、世界十大科技进展新闻揭晓
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐