植物的綜合應用——植物與合成生物學的融合

合成生物學主要是“以分子生物學和分子遺傳學等傳統生物學為基礎,結合多種組學和系統生物學的手段,采用基因合成、編輯、網絡調控等新技術并利用工程學和計算機指導設計新的生命體或者改造現有生命體的一門綜合學科”[1]。它的興起使得生物學從傳統的認識生命和研究生命上升到改造生命的高度,對探索生命本質具有重要的科學意義。

在合成生物學領域上,植物也提供了巨大的發展潛力。一方面,植物利用豐富而廉價的營養物質(如陽光、二氧化碳等),產生了人們生命活動所需的能源物質,如蛋白質,脂肪酸,糖類等,為科學家的研究提供了物質基礎;另一方面,通過對植物生物學的研究,科學家們發現了植物體內多種多種對醫藥和工業有重要價值的次級代謝產物,為植物學及合成生物學的發展指明了方向。在這樣的基礎下,植物合成生物學應運而生。







植物合成生物學的三大基石


植物合成生物學是在植物基因工程和轉基因技術的基礎上發展起來的,同時還結合了工程學與植物生物學原理。除了合成生物學的基本原理及技術以外,植物合成生物學更強調借助計算機、數學、化學、物理學等多種交叉學科和工程化的思維,從系統層面實現對植物體系的從頭設計與改造。簡而言之,植物合成生物學的出現就是綜合多種學科理念,改進傳統作物,發掘、培育新型植物,同時在此過程中鉆研其體內具有多樣生物活性的天然產物,以生物合成的方式獲取天然產物。


  植物合成生物學的三大基石

(圖源:合成生物學期刊)


合成生物學的三大基石是合成元件、合成基因線路和合成模塊[2],植物合成生物學也不例外。在植物中,生物合成元件主要分為三類:
(ⅰ) 催化元件,如氧化還原酶、轉移酶、水解酶、裂解酶、異構酶和連接酶等;
(ⅱ) 轉運元件,如膜電化學梯度的轉運蛋白、離子通道蛋白等;
(ⅲ) 調控元件,如核糖體結合位點、核酸調節子和CRISPR/Cas9系統等。
合成元件又可以組裝成復雜程度不同的合成基因線路,如可以通過模擬各種邏輯推理關系和數字元件的邏輯基因線路,以及構成具有特定生物功能的遺傳基因線路,這些線路又能以新的形式組合成模塊,主要包括:
(ⅰ) 初級合成模塊,如乙酰輔酶A、莽草酸和氨基酸等初級代謝產物;
(ⅱ) 基本骨架合成模塊,如苯烷類、糖類、脂肪酸等次生代謝產物;
(ⅲ) 對多種代謝產物進行修飾的修飾模塊,如甲基化、?;?、糖基化和磷酸化等。

最后這些元件、線路和模塊都將運輸到植物底盤的細胞中進行不同的亞區室化表達,最終實現對現有植物體系的改造和優化。




植物合成生物學的實際應用


目前植物合成生物學大致可以用于農業生產、天然產物、生物能源3個領域,下文將對植物合成生物學的實際應用作簡單的介紹,并舉例說明。
一、農業生產


  綠色農產物
(圖源:網絡)

植物合成生物學應用于農業生產主要體現在四個方面[3]
(ⅰ) 增加農作物生物量,即利用提高農作物光合作用羧化效率、控制農作物光呼吸作用、提高農作物水分利用效率和光能利用效率等相關技術來增加農業生產產量;
(ⅱ) 減少農業化肥施用,即在農作物中引入功能性固氮酶、共生固氮系統、微生物組提高養分利用率等以降低農業化肥的使用,以此來減少污染;
(ⅲ) 增強作物的抗逆性,即通過轉基因等相關技術達到提高植物抗旱性、抗澇性、抗病毒等目的,降低農業生產上的損失;
(ⅳ) 改善農產品質量,即利用相關技術促使農作物表達產生營養物質,提高農產品的營養價值。
二、天然產物

大多數植物體內含有多種天然產物,其中不乏用作生物醫藥的物質。青蒿素是由20世紀70年代中國中醫科學院中藥研究所屠呦呦及其研究團隊在我國傳統中草藥青蒿中發現的一種倍半萜類化合物。青蒿素以往的生產均是直接從黃花蒿中提取的,而美國加州大學伯克利分校的科學家Jay D. Keasling歷時十余年,實現了利用合成生物學技術合成青蒿素的工藝[4],被認為是人工合成植物細胞生產的天然產物研究領域的里程碑。


▲   青蒿素杰出科學家(左為屠呦呦,右為Jay D. Keasling)

(圖源:網絡)

三、生物能源

植物合成生物學不僅能夠協助植物生物質的分解,還能產生清潔的生物能源。在我國具有上千年歷史的沼氣是最早得到應用的生物能源,通過沼氣發酵等合成生物學相關技術能將人畜糞便、秸稈等轉化為沼氣,不僅解決了人畜糞便造成的污染,還提供了沼氣這種生物能源供人們使用;順,順-黏糠酸(MA)就是一種典型植物生物質分解的物質,它是尼龍、聚對苯二甲酸乙二醇酯等塑料的前體物質,既可以由植物生物質分解而來,也可由合成生物學相關技術合成得到,是一種作為塑料前體較好的生物能源;還有一種與植物生物質相關的物質就是生物乙醇了,作為一種生物能源,生物乙醇正在以綠色、清潔的表現取代石油等化學燃料,日產公司推出e-Bio Fuel-Cell生物燃料電池概念車便是遵循了這種理念。


  生物能源汽車

(圖源:網絡)





植物合成生物學是具有美好前景的


植物合成生物學這種新興技術在實際應用中具有較好的表現,但也存在著一些不足之處:
(ⅰ) 從植物本身的角度上來講,植物生長周期長、基因組大、細胞器多,代謝與調控機制復雜都加大了植物合成生物學研究的難度。此外,由于植物需要隨時應對不斷變化的外界環境,如何精準控制合成線路和模塊中基因表達及轉錄調控提高對環境的適配性也將是植物合成生物學研究的難點和重點。
(ⅱ) 從合成生物學的角度上來講,目前生物合成途徑的規?;馕?、高通量組裝和優化、人造系統的調試等理論、技術方面還處于初級發展階段,一些化合物類型的研究基礎薄弱、工程細胞異源合成效率還比較低,導致了合成生物學的優勢無法完全體現出來。
……

即便如此,我們還是可以看到植物合成生物學的美好前景,今后植物合成生物學還可為農業與食品、保健與藥物、能源與廢物處理等多方面提供解決方案:通過改善作物根際微生物群增強植物固氮能力,減少化肥施用;改造藻類代謝途徑,高效生產生物燃料、醫藥制品及食品添加劑;利用植物細胞工廠生產合成蛋白、牛奶及肉類;改造作物代謝通路,去除致敏蛋白,生產低敏食物;改造植物葉片纖毛,過濾空氣中粉塵,減少PM2.5顆粒,改善環境質量等[3]。相信在科研人員的努力下,我們最終會迎來植物合成生物學廣泛應用、人們生活質量提高的時代。




參考資料:

[1] 趙國屏.合成生物學:開啟生命科學“會聚”研究新時代[J]. 中國科學院院刊, 2018,33(11): 1135-1149.

[2] LIU W, STEWART C N.Plant syntheticbiology[J]. Trends in Plant Science, 2015, 20(5): 309-317.

[3] 邵潔, 劉海利, 王勇. 植物合成生物學的現在與未來[J]. 合成生物學, 2020, 1(4): 395-412.

[4] Paddon C J, Westfall P J, Pitera D J,et al. High-level semisynthetic production of the potent antimalarialartemisinin[J]. Nature, 2013, 496(7446): 528-529.


封面圖源:網絡


(文章內容源于相關研究資料的整理,若有不足之處,歡迎指正)



唯鉑萊 唯鉑萊官方網站
公牛vs开拓者 4719857263495216082128846264218379779926365338448771026554376518263132583191108521527615723361193265 (function(){ var bp = document.createElement('script'); var curProtocol = window.location.protocol.split(':')[0]; if (curProtocol === 'https') { bp.src = 'https://zz.bdstatic.com/linksubmit/push.js'; } else { bp.src = 'http://push.zhanzhang.baidu.com/push.js'; } var s = document.getElementsByTagName("script")[0]; s.parentNode.insertBefore(bp, s); })();