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“如果把海南島上所有的天然橡膠都收割來用于做鞋，全中國(guó)每人一只都不夠，沒有合成橡膠技術(shù)，我們連鞋都不夠穿。”一位化學(xué)界學(xué)者說。人類今天的衣食住行能夠得到滿足，合成化學(xué)功不可沒。
合成生物學(xué)中更多地是在使用已有的或改造過的基因模塊通過工程學(xué)手段拼裝、搭建一個(gè)自然界中本沒有的生命體系。
合成化學(xué)功不可沒
合成化學(xué)，這一概念大家也許并不陌生。早在1902年，第二屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給合成化學(xué)大師、生物化學(xué)之父——Emil Fischer;1905年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)則頒發(fā)給Fischer的導(dǎo)師、化學(xué)染料合成大師——Adolf von Baeyer，這兩位合成先驅(qū)的高超合成技法至今看來仍然精彩至極。
此后又有多位合成化學(xué)家陸續(xù)斬獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?？梢哉f在百年諾獎(jiǎng)歷史上，合成化學(xué)家的名字舉不勝舉，合成化學(xué)在人類發(fā)展過程中的重要地位也可見一斑。
所謂合成化學(xué)，就是使用簡(jiǎn)單、易得、廉價(jià)的化學(xué)原料通過一系列的化學(xué)反應(yīng)最終得到目標(biāo)產(chǎn)物。合成化學(xué)并不狹義地僅限于有機(jī)合成化學(xué)，無(wú)機(jī)合成化學(xué)、納米化學(xué)都是典型的合成化學(xué)，因成功制備單質(zhì)F2而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的藥劑師Moissan以及因?yàn)榘l(fā)明合成氨方法而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的Fritz Haber也是著名的合成化學(xué)家。
合成化學(xué)的局限
然而，隨著工業(yè)化的發(fā)展，越來越多的問題也開始浮出水面。上個(gè)世紀(jì)，《寂靜的春天》一書犀利地指出了人類化學(xué)工業(yè)發(fā)展給自然帶來的巨大問題，其中充滿諷刺意味的是引起嚴(yán)重污染的DDT分子。其作用發(fā)現(xiàn)者和推廣者Paul Hermann Müller卻在1948年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。DDT此后一度被禁止使用并且引發(fā)了科學(xué)家們對(duì)于合成化學(xué)危害性的進(jìn)一步討論。
但是故事遠(yuǎn)沒有結(jié)束，由于暫時(shí)還未能找到一種更經(jīng)濟(jì)有效、對(duì)環(huán)境危害又小且能代替DDT的殺蟲劑，世界衛(wèi)生組織于2002年宣布，將重新啟用DDT用于控制蚊子的繁殖以預(yù)防瘧疾、登革熱、黃熱病等在世界范圍的卷土重來。
隨著地球上石油儲(chǔ)備的日漸減少，合成化學(xué)面臨著新的挑戰(zhàn)，目前以石油工業(yè)為基礎(chǔ)的化學(xué)合成工業(yè)未來將何去何從引人深思。悲觀者認(rèn)為，隨著石油的耗盡，人類將逐漸倒退回石器時(shí)代;樂觀者認(rèn)為，聰明的合成化學(xué)家一定能開發(fā)出新的廉價(jià)原料以替代石油化工原料。
斯坦福大學(xué)化學(xué)系主任、著名化學(xué)家B.M.Trost提出了他的解決方法：化學(xué)反應(yīng)的“原子經(jīng)濟(jì)性”(Atom economy)，即在化學(xué)品合成過程中，合成方法和工藝應(yīng)被設(shè)計(jì)成能把反應(yīng)過程中所用的所有原材料盡可能多地轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)物中。
如果原料能百分之百地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，那是令人滿意的，因?yàn)檫@樣可以盡可能減少副產(chǎn)物對(duì)于環(huán)境的污染和對(duì)于資源的浪費(fèi)。但是這僅僅是一個(gè)退守的方案，而并不是一個(gè)最終的解決辦法?，F(xiàn)有的常見原料遲早都會(huì)耗盡、大量低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑的使用始終難以避免、重金屬催化的反應(yīng)越來越多……如果沒有革命性的新理念，恐怕多年后合成化學(xué)將面臨更大的危機(jī)。
“年輕”的合成生物學(xué)
近年來，“合成生物學(xué)”的概念開始進(jìn)入我們的視野。ACS(美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì))在2012年推出關(guān)于合成生物學(xué)的雜志ACS Synthetic Biology;我國(guó)天津大學(xué)、中科院植生所、武漢大學(xué)藥學(xué)院、中科院生物物理所紛紛成立合成生物學(xué)及相關(guān)平臺(tái);清華大學(xué)生命科學(xué)院教授陳國(guó)強(qiáng)、戴俊彪都無(wú)私提供自己的科研實(shí)驗(yàn)室支持本科生進(jìn)行合成生物學(xué)研究探索。
那么，何謂“合成生物學(xué)”？2000年E. Kool將之定義為基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程，從基因片段、人工堿基DNA、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)傳導(dǎo)路徑到細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成，類似于現(xiàn)代集成型建筑工程，將工程學(xué)原理與方法應(yīng)用于遺傳工程與細(xì)胞工程的生物技術(shù)新領(lǐng)域。
很多人狹義地認(rèn)為合成生物學(xué)就是“全合成生命”，即利用化學(xué)合成的方法從頭合成一個(gè)具有生命活力的細(xì)胞或病毒。而實(shí)際上，合成生物學(xué)中更多地是在使用已有的或改造過的基因模塊通過工程學(xué)手段拼裝、搭建一個(gè)自然界中本沒有的生命體系。
助解多種難題
合成生物學(xué)有望解決哪些問題呢?
首先是能源問題。石油、煤、天然氣都來自于古代植物對(duì)于太陽(yáng)能的積累，是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存的反應(yīng)過程。嚴(yán)格地說這些都應(yīng)該是可再生資源，但是億萬(wàn)年的形成周期實(shí)在讓人類無(wú)法等待，因此這些資源成為了“非再生資源”。
那么是否能夠加速這一過程?是否可以通過合成生物學(xué)構(gòu)建新的生命反應(yīng)體系快速有效地固定太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)化成更夠?yàn)槿祟惱玫幕瘜W(xué)形式?
某些經(jīng)過合成生物學(xué)方法改造過的光合藻類富含大量的脂質(zhì)，被人們稱為“生物柴油”，目前已經(jīng)有一些使用“生物柴油”的熱機(jī)問世。但是此項(xiàng)研究問題不少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以解決日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)問題，這需要更多代的科學(xué)家不懈努力。
其次是化工原料問題。我們的祖先早已開發(fā)出了釀酒、釀醋等微生物發(fā)酵技術(shù)，除了食用，乙醇和乙酸都是重要的工業(yè)原料。除此之外，微生物還能通過糖酵解等過程為我們提供丁醇、乳酸、甲烷等工業(yè)原料。通過其他方法，還可以從中獲取甘油、丙酮酸、氨基酸等具有潛在工業(yè)價(jià)值的原料。
或許很多年后，工業(yè)上不再使用乙烯生產(chǎn)量來衡量化工生產(chǎn)能力，而開始利用全新的模塊、原料來構(gòu)建新的工業(yè)大廈，這些原料不再來源于石油，而是從發(fā)酵罐中源源不斷取來。
第三，則是醫(yī)藥健康問題。真菌、放線菌、植物能夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)新穎、生物活性多樣的次級(jí)代謝產(chǎn)物，大部分臨床抗生素來源于這些次級(jí)代謝產(chǎn)物。其中很多藥物分子由于天然含量低、提取困難等因素，目前還是通過全合成或半合成為主要方式得到，因此價(jià)格昂貴。
通過合成生物學(xué)手段，將產(chǎn)生這些代謝產(chǎn)物的基因簇進(jìn)行異緣表達(dá)并利用發(fā)酵工程進(jìn)行大規(guī)模制備，將可能是一個(gè)解決藥品供應(yīng)和價(jià)格昂貴問題的方法。但是這一過程并不容易實(shí)現(xiàn)，需要涉及到很多代謝途徑改造、密碼子優(yōu)化、瓶頸效應(yīng)避免等問題。絕不是說只要發(fā)現(xiàn)的天然產(chǎn)物就可以立刻大規(guī)模發(fā)酵得到，每一個(gè)化合物的工業(yè)化生產(chǎn)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
此外，合成生物學(xué)還有助于解決環(huán)境問題。“白色污染”成為上個(gè)世紀(jì)人類最為頭疼的環(huán)境問題之一，可降解塑料的研究也成了科學(xué)界的熱點(diǎn)問題。“生物塑料”是一個(gè)比較新的概念，目前發(fā)現(xiàn)60個(gè)屬以上的細(xì)菌能夠合成并貯藏聚β-羥基丁酸(PHB)的顆粒。PHB無(wú)毒、可塑、易降解，可用于制作醫(yī)用塑料器皿和外科手術(shù)線等。
通過合成生物，取之于自然、用之于自然，人與其他生物和諧相處，這將是解決環(huán)境問題的必由之路。
