人类用这门学科挑战造物主

2022-11-15 17:00
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一百多年前,社会上关于生命机制的探讨主要分为两种观点:支持生命论或活力论的学者认为,生物体与非生物体的区别,就在于生物体内有一种特殊的“活力”,这种特殊的非物质因素支配着生物体的活动;而持反对观点的学者则认为,生命现象也源于寻常的化学和物理原理,不存在凌驾于生命物质之上的力量。

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后来,法国学者Stéphane Leduc(1853~1939年)成功模拟了人工合成细胞及其次生细胞群(人工桑椹胚)、营养与人工丝状真菌发育,并用矿物质等模拟出生物特有的趋光性、趋化性和趋电性。由此得出结论:生物学仅仅是流体物理学的一个子集,物质的物理学机制可能导致生命的出现。

这并不是唯一一个从物理学和化学的角度对生命机制的探讨,许多科学家纷纷加入。

我们都熟悉的物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger,1887~1961年)在《生命是什么》一书中精辟地总结和阐述了生命机制。作为一位量子物理学家,他以数理科学的逻辑和简洁,将当时生命科学已有的知识(遗传、变异、细胞学过程等)层层展开,与机械力学、热力学、统计力学及量子力学等物理学定律关联。论述极具启发性,激励了大批年轻的物理学家和化学家与生物学家合作,研究生物体系结构、功能与机制。

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同期,一位署名W.A.D.的作者在Nature期刊以“合成生物学与生命的机制”为题,系统评述了他的研究。至此,合成生物学(syntheticbiology)这个词便诞生了。

合成生物学真正被广泛关注始于21世纪初,后来产生的一系列颠覆性成果连续入选Science期刊年度十大科学突破。那么,神秘的合成生物学,究竟是什么?

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如今,合成生物学是以工程化设计为理念,利用基因编辑技术、计算机模拟技术、生物工程技术和化学合成技术等对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成的一门新兴交叉融合性学科。

这门学科不仅包含了基因工程、蛋白质工程等传统学科,同时结合了系统生物学、化学、工程学等其它学科的研究思路,旨在设计与制造以生物为本质的组件与体系,使其达到人类的需求。其研究不仅可以使人们对生命科学中的遗传、发育、疾病、衰老以及进化等现象进行深入的探索与解析,同时还可以通过执行一些特殊的生物功能对生命系统进行再加工。

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合成生物学原理图

合成生物学的崛起突破了生物学“格物致知”的传统研究方式,提出了“造物致知”的全新理念,通过建造生物体系了解生命,通过创造生物体系服务人类。

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打个比方,我们可以把合成生物学理解为生命基因的设计组装。当科学家用工程的理念和技术去研究生命科学,他们眼里的生命是由一个个标准化“零件”组成的。过去,科学家们只是研究这些“零件”如何运转,而现在已经可以拆解、重组、批量生产,甚至可以从无到有地设计出特定的、非天然功能的“生命零件”。

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细胞工厂细胞合成万物

在合成生物学构建的一个个“分子机器”和“细胞工厂”里,放进去的是设计好的“生命零件”——这是从0到1的过程;经过生化合成、产品分离、产品改性等一系列过程后,批量生产出来的是全新的生物制品——这是从1到100的过程。

也就是说,合成生物学可以根据人们的实际需要,无中生有地创造产品。


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化妆品行业未来技术路线之争

一直以来,化妆品都是基于精细化工的日用领域应用。

基于精细化工的化妆品,是护肤品行业的基础大盘。大部分是基础的保养类产品,具有遮瑕、修饰、补水保湿等基础功能,而其技术则基于对配方的持续打磨,以及对肤感、香味等精妙组合。

近年,随着成分党、功效护肤的崛起,越来越多的业内人士开始聚焦具有更强功效的护肤赛道——护肤品与药的边界被模糊了。但实际上,更多的人由于环境污染、错误护肤等原因,导致皮肤出现问题但又还没达到“皮肤病”的程度。处于这个中间状态,即不能激进地用药解决,又无法通过一般的精细化工产品改善。在此背景下,生物活性成分登上美容界舞台,成为了当今业内璀璨的新星。

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2003年,国际科学界正式定义了“生物合成学”,同时随着生物工程与基因技术的快速发展,彻底改变了医药行业,又进一步波及到化妆品。

今天,有些实验室及企业已经可以非常方便地像搭积木一样,组织各种氨基酸、单糖成为多肽、多糖,进而合成各种蛋白质和糖蛋白,并且对该成分的组成做各种修饰、改造以增强其生物活性、降低副作用,在细胞层面去改善皮肤状态。

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合成生物学要求有深厚的底盘技术,广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院再生医学与修复材料中心,联合基因工程药物国家工程研究中心技术平台,将蛋白质的“翻译暂停”理论应用于系列药物候选蛋白及活性蛋白的表达制备。

以此技术为基础,研发团队创新性地将Ⅰ型和Ⅲ型人胶原蛋白的核苷酸序列进行组合,设计了/嵌合型人重组胶原蛋白,并且通过“翻译暂停”技术优化序列,保障可溶性表达,制备出新型重组/嵌合型人胶原蛋白,已被广泛应用于化妆品生产,正在进行医疗器械产品申报。

合成生物学让人类有机会以“上帝视角”去了解生物的进化历程和结构机理,从“格物致知”到触及“造物致知”。或许,它就是让我国领跑全球的关键性技术。而在化妆品领域,合成生物技术为本土品牌摆脱原料被卡脖子的现状、实现逆风翻盘提供了崭新机遇。

参考文献:

[1] 张先恩.中国合成生物学发展回顾与展望[J].中国科学,2019,49(12):1543-1572.

[2] 赵国屏.合成生物学:开启生命科学“会聚”研究新时代[J].中国科学院院刊,2018,11:1135-1149.

[3] 郭学平.合成生物学——化妆品原料的创新驱动力[J].中国化妆品,2021,12:18-24.

[4] 夏天,许文君.护肤品未来技术路线之争[J].日用化妆品科学,2022,4:1-3.

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