合成生物学：生物安全与生物安保

合成生物学作为一项在创造和构建新生物系统方面的革命性技术，结合了生物学和工程学的理念。尽管它具有巨大的潜在优势，但也带来了重大的生物安全和生物安保问题。生物安保是指对生物体的正当使用，以尽量减少意外损失，而生物安全则包括故意滥用。本文探讨了生物技术领域生物安全和生物安保的关键组成部分，并强调了负责任的研发的重要性。

合成生物学利用基于工程学的建模和构建方法，从头改造或创造新的生物体和微生物。在过去的 20 年里，合成生物学在工业和学术界都得到了显著的发展和研究（Ahteensuu, 2017）。其进展已广泛应用于医学（包括新型疫苗和疗法）、能源（生物燃料）、食品生产、环境修复以及通用工业（洗涤剂、粘合剂和香水）等领域（Evans & Selgelid, 2015; Gronvall, 2015）。

什么是合成生物学？

合成生物学是一门不断发展的科学，拥有巨大的应用潜力。然而，它也对环境和公众健康构成重大威胁，需要加以考虑，以便制定有效的管理和预防策略。本研究旨在考察当前这一科学主题的生物安全和生物安保现状。生物安全的核心问题是，意外接触有害生物制剂可能对环境和人员造成的潜在危害。反之，生物安保的风险则在于合成生物学的潜在滥用，包括但不限于生物恐怖主义、生物战以及由于基因改造生物体而可能发生的生物攻击。本文讨论了合成生物学带来的独特挑战，并提出了关于制定政策以确保该学科安全发展的想法。

合成生物学历史

• 1910年： Stéphane Leduc 的《生命和自发生成的物理化学理论》首次使用了“合成生物学”一词。1912 年，他在另一部著作《合成生物学》中也提到了这个词。
• 1944年： 加拿大-美国科学家 Oswald Avery 证明 DNA 是染色体和基因的构成要素。这是所有其他遗传研究的基础。
• 1953年： Francis Crick 和 James Watson 在《自然》杂志上发表了 DNA 的结构。
• 1961年： Jacob 和 Monod 通过对大肠杆菌lac操纵子的研究，提出了分子网络对细胞的调控，并设想了从分子元件创造新系统的能力。
• 1973年： Cohen、Boyer 等人在 P.N.A.S. 上报告了首次成功的分子克隆和质粒扩增，标志着合成生物学时代的开始。
• 1978年： Arber、Nathans 和 Smith 因发现限制性内切酶而荣获诺贝尔生理学或医学奖，Szybalski 在一篇社论中写道：

基因

限制性核酸内切酶的发现，不仅使得重组 DNA 分子的构建和单个基因的检测变得容易，而且开启了合成生物学的新时代，在这个时代，除了对现有基因进行表征和分析外，还可以构建和评估新的基因排列。

• 1988年： Mullis 等人在《科学》杂志上发表了首次利用耐热 DNA 聚合酶通过聚合酶链式反应（PCR）扩增 DNA 的结果。这使得每次 PCR 循环后无需添加新的 DNA 聚合酶，从而大大简化了 DNA 诱变和组装。
• 2000年： 两篇发表在《自然》杂志上的研究报告描述了通过将基因在大肠杆菌细胞内混合，构建了合成生物学回路——一个基因触发开关和一个生物时钟。
• 2003年： Tom Knight 创建了 Bio Brick 质粒，这是最广泛使用的标准化。

DNA 元件

第二天，在麻省理工学院成立的国际基因工程机器（iGEM）竞赛将围绕这些元件展开。

研究人员使用合成生物学开放语言（SBOL）标准的可视化符号，在 E. coli 中构建了青蒿素前体途径，用于 Bio Bricks 标准 2003。

• 2004年： 首届合成生物学国际会议（SB1.0）在麻省理工学院举行。
• 2005年： 科学家们创建了一个大肠杆菌光感应回路。另一个团队创建了可以构建多细胞模式的回路。
• 2006年： 科学家们创建了一个促进细菌侵入癌细胞的合成回路。
• 2010年： 研究人员在《科学》杂志上发表了首个合成细菌基因组 JCVI-syn1.0。该基因组是使用酵母重组通过化学方法合成 DNA 制成的。
• 2011年： 使用酵母构建了功能性的合成染色体臂。
• 2012年： Charpentier 和 Doudna 的实验室在《科学》杂志上发表了 CRISPR-Cas9 细菌免疫编程用于靶向 DNA 断裂。该技术极大地促进和拓宽了真核基因编辑的范围。
• 2019年： 苏黎世联邦理工学院的研究人员披露了首个计算机生成的细菌基因组 Caulobacter ethensis-2.0。然而，尚未发现 C. enthesis-2.0 的相关活体菌株。
• 2019年： 研究人员宣布，已创造出一种新的合成（可能人造的）生命形式，即大肠杆菌的一个版本。为了编码 20 种氨基酸，细菌基因组的正常密码子数量减少到 59 个。
• 2020年： 首个 Xenobot 被创造出来，这是一种人工智能（AI）设计的、可编程的、由青蛙细胞培养而成的生物体。
• 2021年： 研究人员发现，Xenobots 可以通过抓取周围的松散细胞并利用这些细胞创造更多的 Xenobots 来繁殖。

合成生物学的兴起

1. 定义和范围

合成生物学是指设计和构建满足特定功能的生物元件、设备和系统。这包括引入合成基因、电路甚至整个生物体。合成生物学在医学发展、农业、能源和环境管理等方面有广泛的应用。

2. 期望与挑战

合成生物学领域有潜力创造定制化的生物体，用于多种用途，例如生产可持续材料、处方药和生物燃料。然而，由于可能产生的意外后果、生态干扰和伦理问题，需要严格的安全措施。

合成生物学中的生物安全

风险评估与控制

1. 识别潜在风险

理解合成生物学相关的风险至关重要。一种方法是比较转基因生物体对环境、人类健康和现有生态系统的影响。为了设计有效的安全预防措施，研究人员应识别和指示潜在的风险。

2. 遏制策略

至关重要的是实施生物和物理遏制技术，以防止转基因生物（G.M.O.s）意外逃逸。这包括使用封闭式生物反应器等遏制设施，以及设计限制转基因生物在严格控制条件外生存和繁殖能力的遗传回路。

风险的两面性

1. 伦理相关因素

当人造生物体被用于有利和有害的目的时，就会出现伦理困境。研究人员必须考虑其工作可能如何被滥用，并遵守道德准则。负责任的研究应以公认的行为准则和道德规范为指导。

2. 公众参与

让公众参与关于合成生物学的讨论，可以确保考虑到各种观点。知情的公众讨论可以提供对社会问题和需求的宝贵见解，并影响立法和政策决策。

生物安保

防止滥用

1. 途径管理

必须限制对敏感生物信息、材料和技术的访问，以防止故意滥用。通过负责任地分发遗传材料和使用安全数据库，可以减少未经授权的访问。

2. 国际合作

要有效应对生物安保问题，需要全球协调。国际协议，如《禁止生物武器公约》，在促进合作和制定预防生物武器的准则方面至关重要。

监测与预警

1. 侦测技术

需要先进的侦测系统来监测生物技术研究人员的活动，并发现任何安全风险。持续的监控有助于识别异常情况，并在出现新威胁时确保迅速采取行动。

2. 责任感文化

在生物界培养一种责任感文化对于保护生物多样性至关重要。研究人员、机构和立法者必须共同建立和维护伦理规则、行为准则和报告机制。

结论

合成生物学领域拥有前所未有的创新前景，一个强大的生物安全和生物安保计划是其负责任发展的必要条件。为了将科学进步与防止潜在灾难相结合，研究人员、决策者和公众应共同努力。通过实施全面的风险评估、预防措施、道德原则和国际合作，我们可以负责任地展望生物技术业的未来，并确保其可持续性和安全性。

合成生物学作为一项革命性技术，其对社会的影响可能与数字革命不相上下，甚至更大。与任何其他科学发现一样，其双重用途和滥用的可能性构成了全球性挑战，需要最高级别的决策者认真对待。考虑到该领域未来日益增加的不确定性，预防性干预措施可能比有针对性的反制措施（尽管后者可以提供一定程度的保护）更为有益（Trump et al., 2020a）。有关生物安保的政策和程序必须进行调整，以应对合成生物学带来的新挑战，以及太空全球性、分散性和多样化的特性所带来的危险。