合成生物學專題

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合成生物學是生物科學的一個新興領域,在台灣大家對這個領域可能還沒有普遍的認識。因此,Investigator邀請到陽明大學生物醫學資訊研究所的博士候選人楊志賢,為大家講解合成生物學的緣起、當前幾個主流的應用方向、以及該領域的未來展望。內容相當精彩,有興趣的朋友們趕緊翻閱內文吧!

楊志賢


  • 生命科學與合成生物學

1977 年,第一個以去氧核醣核酸(DNA)為基礎的生命體 – 嗜菌體 Ф X174 的完整基因體被人類定序完成後,時至1995 年第一株細菌 – Haemophilus influenzae 基因體,也宣告被定序完成。這些定序完成的基因體序列,也成為生命科學研究發展的新的里程碑,將建構生命的藍圖一幅一幅地展現在世人的眼前,並讓生命科學家,一點一滴地去拼湊生命構成的細節,朝向完整解釋生命的原理而邁進。此後,幾乎所有的生命科學研究,都與基因、基因體等字眼產生了密不可分的關係,基因體科學儼然成為生命科學的代言人。

有機體的基因體定序完成後,經過數位化 (digitalized) 的基因體序列資訊,對電腦資訊科學家,就有如一套特殊的密碼指令集,在各種有機體的細胞內有規律的執行各種生命的功能。而因基因體科學而興起的學門,如轉錄體學 (transcirptomics) 、蛋白體學 (proteomics)、代謝體學 (metabolomics)、網路生物學 (network biology)、交互作用體學 (interactomics) 與系統生物學 (systems biology),也開始蓬勃的發展帶來隨著數不盡令人振奮的研究成果,並結合各層次的高通量實驗,觀察細胞內所有的核醣核酸、蛋白質、小分子以及這些分子之間的交互作用,來反推整體生命系統運作的方式,展開一場人類歷史至今未有過的華麗探險。

波蘭科學家 Wacław Szybalski 在 1974年,由於重組 DNA (recombinant DNA) 技術的問世,發表過一段話 ”讓我發表一些我對未來的看法。至今我們仍正在分子生物學描述性的那一面努力著 … 但是真正的挑戰是,當我們的研究進入了合成生物學的那一面的時候。那時候我們將會發明新的控制單元,然後將這些新的模組放入已經存在的基因體中,或者是創造全新的基因體。(Let me now comment on the question “what next”. Up to now we are working on the descriptive phase of molecular biology. … But the real challenge will start when we enter the synthetic biology phase of research in our field. We will then devise new control elements and add these new modules to the existing genomes or build up wholly new genomes. )”。

1988 年美國物理學家 Richard Feynman 死前留在黑板上的其中一句話 “我不能創造的事物,我便無法了解 (What I cannot create I cannot understand)”。換言之,唯有能夠被再度創造並驗證後的事物,才能被相信並且接受,這是一句充滿實證主義意味的話語,也是科學與工程相關學門所奉為圭臬的精神。因此,各家學門的研究人員,諸如分子生物學家、生物化學家、電腦科學家、工程科學家、物理學家等,正都迫不及待地在基因體上,編寫與測試屬於他們發明的生命程式碼。另一場生命科學的革命,也悄悄進行著 …

  • DNA 合成與人造基因體

進入了21世紀後,無論是重組 DNA 的技術、基因體定序、寡核苷酸的人工合成 、乃至於雙股 DNA 合成技術,相較於30年前都有著爆炸性的進步1,2。因為每合成一個鹼基對 (base pair, bp) DNA 的價格,三十年前要價數十至數百美元不等,而如今降低到只需要一美元或低於一美元,有人將這種現象比擬為生命科學研究上的摩爾定律。DNA 合成技術的成熟,大大降低了DNA 合成的經濟門檻,也預告著大尺度基因體工程與合成生物學研究時代的來臨。

2008 年,JCVI (J. Craig Venter Institute) 的研究人員用 5000 ~ 7000 bp 大小的化學合成DNA 片段 (chemically synthesized DNA fragments),以人工方式兩兩相連接組裝成一個 582,970 bp 的 Mycoplasma genitalium 細菌基因體3,4。雖然這個基因體以一般細菌來說並不算大,但是卻是第一個以人工化學方式合成的細菌基因體,同時還在基因體內附帶了一段浮水印 (watermark)。2010 年,他們更發表了一個人工設計、合成、組裝的 Mycoplasma mycoides 細菌基因體 (編號 JCVI-syn1.0,長度 1.08 Mbp),並轉植5,6入另一株 Mycoplasma capricolum 細菌的細胞內且能夠運作,等同是人工創造了一個新的細菌株7。雖然,這些研究本身並沒有對既存的基因體做太多的改變,但是的的確確地展現了人工合成基因體技術,已經可以完整合成一個完整細菌基因體,堪稱是合成生物學研究的一個重要里程碑。

註:寡核苷酸合成 (Oligonucleotide synthesis),是指化學合成單股的 DNA 聚合物

註:摩爾定律 (Moore’s Law),是指由於電子技術的進步,每兩年發表的電子晶片內電晶體數量將會翻倍成長。對生技產業上的 DNA 合成的類比是,用相同的合成花費,每隔一段間後,可以合成的 DNA 長度也將翻倍。

  • 以 DNA 為基礎的生物零件與生物設備

2003年,麻省理工學院的Tom Knight 教授提出了能夠將 DNA 片段連接在一起的”標準化”方法8。為什麼需要標準化 (Standardization)?其實,組裝兩個 DNA 片段是沒有所謂的標準方法,你可以使用平末端連接 (blunt-end ligation),或者先用限制酶酵素 (restriction enzyme) 處理後,再進行黏末端連接 (sticky-end ligation)。但是,如果你想要在前一次組裝好的 DNA 片段,再加上一段 DNA 片段 (也就是第三個片段) 時,這時就要費心思量第二種 DNA 片段連接的方式,因為第一次的用過的DNA 片段連接的方式,在組裝第三個片段的同時,也會將第一次組裝的兩個片段切開,造成錯誤的組裝 (如圖一所示)。因此,組裝第三段 DNA 片段需要費心選擇適當的第二種限制酶酵素,才能順利組裝三個 DNA片段 (如圖二)。

Fig1
圖一 失敗的三段組裝

Fig2

圖二 成功的三段組裝

於是,Tom Knight 教授提出一種標準的 DNA 片段的組裝方式9,10,在每次的組裝可以使用相同的方式,不需要再費心選擇每次組裝使用的限制酶酵素。這樣的組裝方式,讓DNA 片段可以像積木一樣,一個片段一個片段一直連續組裝下去,生物零件 (biological Part) 的概念就因此誕生。將生物 DNA 片段零件化,是工程思維應用在分子生物學的一個重大發明。因此,透過生物零件的定義與標準化的組裝方式,我們可以進一步組裝生物設備 (biological device),或更進一步可以組裝一個生物系統 (biological system),形成一個由生物零件為基礎的工程框架11

Tom Knight 教授也同時是 iGEM (international Genetically Engineered Machine) 競賽的主要共同創辦人。iGEM是一年一度的國際合成生物學競賽,在競賽中各團隊利用生物零件,組裝並創造了各式各樣功能的生物設備,並將使用過的生物零件與相關的使用經驗,彙整為一個共享生物零件庫 (Registry of Standard Biological Parts),讓世界各地每年的參賽者都得以取用這些生物零件,並且交流心得。目前,基礎的生物零件包含:啟動子 (promoter)、核糖體結合位 (ribosome binding site, RBS)、終止子 (transcription terminator) 等,也就是能夠控制基因表現的各式零件。因此,除了利用高效率的 DNA 合成技術實現完整的基因體建構,科學家也嘗試在既存的基因體中,置入各式各樣人工設計的生物設備,來實現既存基因體所沒有的功能。

  • 基因迴路與合成生物學的應用

長久以來,人類過去利用育種技術來選殖動植物,使其符合人類生活需求以促進生活品質,而這個過程中,也間接改變了這些有機體的基因體組成,堪稱是基因體工程的最原始形式。在操作並改造基因體的技術更加成熟的今日,我們不需要透過大量的嘗試錯誤,而達到預期的 DNA 操作,而是更為精確並有計劃的進行基因體工程,甚至於跨物種的基因體組合,以達到各種預期的功能。同時,工程化的生物零件、生物設備等概念,更進一步進展到基因迴路 (genetic circuit)。基因迴路的概念,是基於我們對於細胞內基因調控認知的描述:基因的表現可以被其他基因開啟 (turn ON) 或者是關閉 (turn OFF),細胞內的基因表現就呈現了高表現或低表現的狀態,就有如電子電路個節點的電位高低一般。在電子電路系統內,我們可以很容易地放入新的零件、模組,來改變整個系統運作或創造新功能。因此,合成生物學家也試圖將設計好的模組、設備或迴路,放入既存的基因體內,來改變基因體運作的模式,或者創造原有基因體不存在的功能,開發新的應用12

在醫學應用上,蘇黎世聯邦理工學院 Martin Fussenegger 教授利用 Deinococcus radiodurans 細菌能感測尿酸分子的基因,結合 Aspergillus flavus 細菌可以分解尿酸的酵素 (urate oxidase),建構成一個可恆定尿酸濃度的基因迴路13,其效果於小鼠模式中獲得驗證,日後可望成為腎臟慢性病的新治療方式。加州大學舊金山分校 Christopher A. Voigt 教授利用了 Vibrio fischeri 細菌內可感受無氧狀態的啟動子以追蹤癌細胞,並結合 Yersinia pseudotuburculosis 細菌可穿透細胞膜表面的 invasin 蛋白,建構了一個可追蹤並同時殺死癌細胞的基因迴路14,很有潛力成為癌症治療的新模式。加州大學柏克萊分校 Jay Keasling 教授,將青蒿 (Artemisia annua) 可產生 Artemisinin (治療瘧疾的藥物前軀物) 的合成路徑,植入酵母菌中來生產抗瘧疾藥物15,預期將大幅降低抗瘧疾藥物製造的成本,以造福更多需要抗瘧疾藥物的人。

在能源應用方面,Jay Keasling 教授也致力於利用合成生物學技術改造大腸桿菌合成脂肪酸,以發展植物為基礎的生質燃料16。Jay Keasling教授目前主持隸屬於美國能源部的聯合生物能源研究所 (JBEI, Joint Bio-Energy Institute),也同時是 Amyris (http://www.amyris.com/) 公司的共同創辦人之一,以生產抗瘧疾藥物與生質航空用油為主要目標。此外,加州大學洛杉磯分校 James C. Liao 教授利用改造大腸桿菌 (Escherichia coli) 產生異丁醇 (isobutanol)17,是相較於酒精更有效率的生質燃料,並利用調控異丁醇合成的酵素基因表現,並結合枯草桿菌 (Bacillus subtilis) 的酵素基因,來提升異丁醇的產能。James C. Liao 教授也利用改造光合作用細菌 Synechococcus elongatus PCC7942,利用光能直接將大氣的二氧化碳回收轉化為異丁醛18,可作為其他化學製品的前軀物或是石油的代替品。

另一方面,生物零件組成的基因迴路,也可視為一種在細胞內的可計算元件。2000 年,加州理工學院 Michael Elowitz 教授與波士頓大學 James J. Collins 教授分別發表了以生物元件為基礎的生物震盪器 (repressilator)19 與開關電路 (toggle switch)20。這對電腦科學家與工程師來說,無疑是另一個充滿挑戰與刺激的新天地,也帶動了一連串的基因迴路設計與應用的熱潮,許多以生物元件為基礎的生物設備紛紛問世,如:邏輯閘 (logic gates)21、記數器 (counter)22、加法器 (adder)23,乃至於電晶體 (transistor)24、記憶體 (memory)25、儲存設備26或是電腦27,28。或許不久的將來,你我桌上或手上的計算機設備,可能是以 DNA 分子為核心,而非矽分子。

  • 合成生物學的未來展望

就如同 Wacław Szybalski 教授所預言的:人類將會發明新的控制單元,並將這些模組植入既存的基因體中。合成生物學的研究至今,某種程度上已經實現了這個預言,因為我們已經將不同物種的調控單元與基因做組合,並在各個領域創造了許多令人興奮的應用,並且作出極大的貢獻。往後,將會有更多功能的生物設備,透過更多的生物零件組裝,植入既存的基因體中。而大量且精密的生物元件與生物設備的量測29-33,將是利用生物元件建構更多生物設備或生物迴路之前,不可或缺的基礎。

而 Wacław Szybalski 教授預言的下半段:創造全新的基因體。我們雖然尚未創造全體,而是如何設計基因體。這是一個充滿挑戰的未知領域,也可以說是現階段生命科學研究的終極目標之一新的基因體,但是以目前的 DNA 合成技術,也宣告了一旦有了新的基因體設計,將這些設計實現,是無庸置疑的事實。因此,未來的挑戰可能並非是如何合成基因,去徹底地解釋生命的構成與運作的原理。舉凡最小的細菌基因體 (如 Mycoplasma genitalium),就擁有數百個基因在細胞內彼此交互作用、協同運作,是一個極為複雜的動態系統,宛如一個有條不紊的交響樂團,譜出生命的樂章。

合成生物學嘗試用一種新的角度,去看待現有存在的生命系統以及生命科學研究。我們嘗試跳脫以往描述式 (descriptive) 的分子生物學,而走向一種定量的 (quantitative)、建構式 (constructive) 的生命科學。合成生物學的尺度上是涵蓋整個基因體,並期望能夠控制一整個細胞的狀態變化,而非只是單一基因的改變,因此需要導入系統化分析的概念,才能夠由生物零件、生物設備,一路擴展到建構一個新的生命系統。反之,對於既存的基因體,我們也可以從中學習,將一整個生命系統拆解 (decoupling) 為數個協同運作的子系統,並一路拆解為基本的生物零件。未來,合成生物學將不僅於設計特定應用的生物設備,必定會大量利用系統科學分析,來解析整體基因體運作的原理,朝向基因體設計邁進,而這或許又會是生命科學史上新的里程碑,且讓我們拭目以待。

  • 參考文獻與延伸閱讀:
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撰稿|楊志賢
編輯|吳子青、余玟萱

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