2009年4月10日

合成生物學的研究與發展

作者/張益峰、楊志賢、張傳雄(陽明大學生物醫學資訊研究所(cchang@ym.edu.tw))

合成生物學藉由設計組裝生物元件與系統,來測試基因體運作的規則,或使生物體執行新的功能,在生醫製藥、能源環保等層面有極大的應用潛力。

今年3月初,微軟公布了資訊產業10 年後的預測短片,讓人們對未來有無限的想像。然而,你能想像10年或20年後的生物學與生物科技又會是什麼面貌嗎?合成生物學(synthetic biology),目前正描繪未來的一切無限可能。

早在1974年,波蘭遺傳學家斯吉巴爾斯基(Waclaw Szybalski),就已經預言了生物學可能的未來:「一直以來我們都在做分子生物學描述性的那一面,但當我們進入合成生物學的階段,真正的挑戰才要開始。我們會設計新的調控元素,並將新的分子加入已存在的基因體(genome)內,甚至建構一個全新的基因體。這將是一個擁有無限潛力的領域,幾乎沒有任何事能限制我們去做一個更好的控制迴路。最終,將會有合成的有機生命體出現。」

合成生物學可能源自於發現能「剪接」DNA的酵素之時。1978年,諾貝爾生醫獎頒給發現DNA 限制酶的納森斯(Daniel Nathans)、亞伯(Werner Arber)與史密斯(Hamilton Smith),當時斯吉巴爾斯基在《基因》期刊中寫了一段評論:「限制將帶領我們進入合成生物學的新時代。利用限制剪接DNA的方式,分子生物學家得以分析各個基因的功能,並將觀察的結果記錄下來,成為各個基因的功能性描述。這樣的工作正由全世界數以萬計的科學家進行中,為人類累積對生命與基因體的了解。然而,可預見的未來是,新的合成或複合生命體可能由此誕生。」

《科學美國人》(Scientific American)雜誌編輯比艾羅(David Biello)曾經用過一個簡單的比喻,來說明什麼是合成生物學:如果將生命比作電腦,那麼,由許多核酸組成的程式碼——基因體,就是生命的作業系統(operating system)。合成生物學想做的就是,透過創造或改寫基因體,讓生命表現出預期的行為,執行預定的工作。然而,有時候我們會把生命的程式寫「壞」了,就像你把電腦的作業系統弄壞了一樣;電腦會因此開不了機,而生命機器也會因此不正常或是死亡。藉由嘗試錯誤(trial and error)的過程,累積成功與失敗的經驗,人們就會漸漸了解生命程式的規則與語法,進而掌握撰寫生命藍圖的法則。

為了控制生命機器的行為表現,我們需要將控制邏輯寫到生命的作業系統——基因體之中。控制邏輯是工程學(engineering)的專業領域,因此合成生物學必須結合工程學與生物學等學門,為一跨領域的研究學門。能與合成生物學結合的領域包括:分子生物學、基因體工程、資訊科學、統計學、系統生物學、電機電子工程等。

分子生物學與基因體工程是合成生物學的根基,因為必須透過剪接DNA,才能寫出所需要的作業系統;資訊科學、統計學與系統生物學,專精於生物資料的收集、分析與模擬;電機電子工程則是負責控制邏輯迴路的設計。合成生物學的目標是透過創造或修改基因體的過程,去了解生命運作的法則,並導入抽象化(abstraction)、標準化(standardization)等工程概念,以進行系統化設計與開發相關應用。【更詳細的內容,請參閱第472期科學月刊】

回本期目錄

2 則留言:

匿名 提到...

請問第六行"合成生物學(shythetic biology)"是否應為"synthetic biology"?

資料很實用~
謝謝

SCIENCE MONTHLY 提到...

是的,合成生物學應為synthetic biology,謝謝您的糾正。