改造基因、構(gòu)建特殊生物……合成生物學(xué)如何影響生物多樣性？

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監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

10月11日，《生物多樣性公約》第15次締約方大會（COP15）在我國云南省昆明市開幕。即將在COP15上誕生的“2020年后全球生物多樣性框架”，會為未來10年全球生物多樣性保護(hù)指明方向。

圖片來源：生物多樣性公約締約方大會官網(wǎng)

在此次會議中，“合成生物學(xué)”被列入討論，與入侵物種、野生動物保護(hù)等議題列在一起。

生物多樣性公約締約方大會第十五屆會議臨時(shí)議程

（圖片來源：中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部官網(wǎng)）

第19至26條的內(nèi)容大家比較熟悉，但27條或許讓不少人一愣：合成生物學(xué)是什么？對物種多樣性會有啥影響呢？

什么是合成生物學(xué)

合成生物學(xué)是生物科學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，研究的是人們?nèi)绾胃鶕?jù)具體的使用需求，將對應(yīng)的基因通過生物技術(shù)組合在一起，構(gòu)建出需要的特殊生物。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院合成生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專家委員會主任趙國屏認(rèn)為：

合成生物學(xué)能利用大腸桿菌生產(chǎn)大宗化工材料，擺脫石油原料的束縛；能利用酵母菌生產(chǎn)青蒿酸和稀有人參皂苷，降低成本，促進(jìn)新藥研發(fā)；能利用工程菌專一攻擊癌細(xì)胞，卻不“誤傷”正常細(xì)胞；能創(chuàng)制載有人工基因組的“人造細(xì)胞”，探究生命進(jìn)化之路；能利用DNA儲存數(shù)據(jù)信息并開發(fā)生物計(jì)算機(jī)……

作為科學(xué)界的新生力量，合成生物學(xué)進(jìn)展迅速，并已在化工、能源、材料、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境和健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

合成生物學(xué)應(yīng)用的一個(gè)典例，就是基因滅蚊。

2015年，中山大學(xué)的奚志勇教授在廣東進(jìn)行了“以蚊治蚊”嘗試。受過三種沃爾巴克氏體菌株感染的白紋伊蚊雄蚊，與野生雌蚊交配后產(chǎn)的卵不能發(fā)育。

研究團(tuán)隊(duì)與廣東省和廣州市的疾控中心合作，選擇了兩個(gè)相對隔離的小島，大規(guī)模投放這些培育的“絕育”蚊子。兩年后，試驗(yàn)區(qū)野生蚊子數(shù)量減少了90%左右。這一結(jié)果2019年發(fā)表在《自然》期刊上。

基因滅蚊（圖片來源：廣州日報(bào)）

蚊子是多種病原體的中間宿主，可傳播瘧疾、登革熱、寨卡病毒等，基因改造滅蚊大大減少了人感染這些疾病的風(fēng)險(xiǎn)，又減少了化學(xué)制劑污染，似乎百利而無一害。

那深受蚊蟲叮咬困擾的讀者們就要發(fā)問了：為什么合成生物學(xué)滅蚊技術(shù)沒有推廣開來，應(yīng)用到更廣泛的地方，給我一個(gè)沒有蚊蟲的夏日呢？

這就事關(guān)生物多樣性的問題了。事實(shí)上，最早對于基因改造的生物擴(kuò)散產(chǎn)生擔(dān)憂的，正是研究基因工程的科學(xué)家們。

影響生物多樣性的雙刃劍

在1974年，科學(xué)家使用合成生物學(xué)的方法，改造了一種叫做“SV40”的病毒。他們將致癌基因整合到SV40的遺傳序列內(nèi)，再用這種改造過的致癌型病毒感染小鼠，構(gòu)建癌癥小鼠模型，從而在這些小鼠身上進(jìn)行癌癥化療藥物的開發(fā)實(shí)驗(yàn)。

病毒攜帶的致癌相關(guān)基因成功地整合到小鼠的基因組中，抗癌事業(yè)邁出了一大步。但風(fēng)險(xiǎn)也隨之而來：攜帶致癌基因的病毒一旦擴(kuò)散到實(shí)驗(yàn)室外，就有可能感染同樣是哺乳動物的人類，引發(fā)癌癥。隨著人類活動的擴(kuò)散，其他動物也可能遭殃。

可以看到，如果隨意使用合成生物學(xué)，可能會極大危害生物多樣性。

1975年2月，科學(xué)家們在美國加利福尼亞州召開的重組DNA分子國際大會（即阿西洛瑪會議，Asilomar1975）上進(jìn)行激烈辯論，討論相關(guān)研究是否應(yīng)該進(jìn)行下去。

1975年召開的阿西洛瑪會議

（圖片來源：https://vapormax2018.info/conferencia-de-asilomar-1975-21/）

會議最終商定，研究應(yīng)該繼續(xù)，但要對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)程度把握安全控制的松緊尺度。

此后，科學(xué)家們對合成生物學(xué)的使用更加慎重。比如，生物學(xué)家進(jìn)行基因編輯的時(shí)候，會對某些特定的危險(xiǎn)細(xì)菌進(jìn)行改造，使這些細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)室外無法存活，防止對自然界中的生物多樣性造成威脅。

謹(jǐn)慎利用，保護(hù)生物多樣性

從1975年召開的阿西洛瑪會議到今年的COP15，四十多年間生物技術(shù)飛速發(fā)展，各種改造過的SV40病毒株已經(jīng)是生物研究的常用工具，在基礎(chǔ)生物研究和醫(yī)學(xué)研究中立下了汗馬功勞，且至今沒有合成生物學(xué)對公眾健康造成危害的實(shí)例報(bào)道，這些很大程度上都要?dú)w功于科學(xué)家們的審慎。

不僅如此，如今，合成生物學(xué)的合理使用還為保護(hù)生物多樣性提供了助益。

例如，合成生物學(xué)可以被用來人工設(shè)計(jì)、合成一些需要在稀有動植物體中提取的小分子和大分子蛋白，降低常規(guī)的種植、培育、采摘、提取這一自然生產(chǎn)流程的成本，從而減少盜獵捕殺野生動物和濫采濫摘野生植物的行為，進(jìn)一步保護(hù)生物多樣性；

再如，生物合成化工材料可以減少化工污染，保護(hù)環(huán)境，為瀕危生物棲息、繁衍提供更好的自然環(huán)境；

此外，利用工程菌生產(chǎn)植物的提取成分，還可以減少種植作物的培育需求，給野生動植物留出更多的生長空間。

從孟德爾的豌豆雜交，到如今的合成生物學(xué)，人類利用篩選基因、改造基因、設(shè)計(jì)基因，實(shí)現(xiàn)著越來越理想化的生活。

然而，合成生物學(xué)就像一把雙刃劍——謹(jǐn)慎、科學(xué)地利用會保護(hù)生物多樣性；用得不當(dāng)則會對自然界中的生態(tài)系統(tǒng)造成毀滅性打擊。謹(jǐn)慎的科學(xué)態(tài)度和有效可執(zhí)行的規(guī)則制度，是這把雙刃劍最好的劍鞘。

參考文獻(xiàn)：

（1）聯(lián)合國生物多樣性公約締約方大會第十五次會議議程https://news.cop15-china.com.cn/api-content/cms/homepagezh.

（2）美國佛羅里達(dá)群島試行基因滅蚊法.新華社：

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1701440653069845062&wfr=spider&for=pc.

（3）Zheng, X., Zhang, D., Li, Y. et al. Incompatible and sterile insect techniques combined eliminate mosquitoes. Nature 572, 56–61 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1407-9.

（4）Berg, P. Asilomar 1975: DNA modification secured. Nature 455, 290–291 (2008). https://doi.org/10.1038/455290a.

（5）趙國屏：合成生物學(xué)：生命科學(xué)的“利器”. 中國科學(xué)院科技產(chǎn)業(yè)網(wǎng) ?2020-11-17 ?專家解讀 http://www.castt.ac.cn/news/detail/21944.html.