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第2期 關正君等: 合成生物學生物安全風險評價與管理 139

合成生物學(Synthetic Biology)是化學、工程學、信息學、物理學和生物學等多學科交叉的一門嶄新的技術學科(van Est et al., 2007; O’Malley et al., 2008; POST, 2008; Pei et al., 2011a)。其研究領域主要包括基因回路(Benner & Sismour, 2005; O’Malley et al., 2008)、最小基因組 (Deplazes, 2009)、原型細胞的構建(O’Malley et al., 2008)以及化學合成生物(創(chuàng)建自然界不存在的生物系統(tǒng), 如xeno-nucleic acids, XNA) (Herdewijn & Marliere, 2009; Schmidt, 2010)。因此合成生物學被認為是新醫(yī)藥產品研發(fā)、活體治療、生物傳感器、可持續(xù)生物燃料生產以及生物材料制造等方面極具美好發(fā)展前景的一個新興領域。

合成生物學研究旨在創(chuàng)建以應用為目的的新型生物, 同時通過從零開始構建生命體來深入了解生命系統(tǒng)。該學科作為現(xiàn)代生物技術的一個新的分支, 在迅速發(fā)展的同時, 對社會的影響及其可能帶來的風險受到日益關注。然而, 相對于生物安全其他方面的議題, 有關合成生物學的相關報道卻較少(European Commission, 2005; Pauwels, 2009)。對于這樣一項具有發(fā)展前景、與社會經濟發(fā)展和人們生活關系密切的新技術而言, 其發(fā)展目標、潛在風險和可能的社會影響迫切需要更多的科學家和民眾的關注(de Vriend, 2006; Garfinkel et al., 2007; Bal-mer & Martin, 2008)。我們綜述了國內外合成生物學的風險評價、生物安全工程、倫理道德以及當前熱點議題, 分析了當前已有管理法規(guī)的優(yōu)勢與不足, 并針對我國現(xiàn)狀提出了相應建議, 希望能為我國合成生物學的發(fā)展和安全管理提供借鑒。

合成生物學發(fā)展中可能出現(xiàn)的安全問題。 1.1.1 基因回路(DNA-based biological circuits)

合成生物學的顯著特點之一就是可以利用已有的生物元件進行基因回路的組裝, 設計出更加復雜的基因調控網(wǎng)絡。如大腸桿菌中雙穩(wěn)態(tài)基因調控網(wǎng)絡的構建、壓縮振蕩子的合成(Gardner et al., 2000; Elowitz & Leibler, 2000)等。借助基因回路的研究, 不僅可以更深入了解生命的構成和調控原理, 還可以設計具有所需功能的基因元件, 構建、合成生物系統(tǒng)。

在合成生物學研究中, 依賴的不是單一部件, 而是運用數(shù)種來自于不同供體的基因或部件的特性改變整個體系, 這也是合成生物學與基因工程最顯著的差別。新合成基因的功能特性會在設計和合成過程中產生難以預計的影響。顯然, 現(xiàn)有生物安全法規(guī)不能應對這種復雜的基因回路系統(tǒng)。當前不僅需要評價特定環(huán)境下新基因元件在新細胞中的行為, 更應特別關注基因回路中插入到細胞中的諸多新型基因部件之間相互作用所產生的安全問題。但是, 目前仍很難準確地預測細胞的全部行為。

對于基因回路中的安全性問題一般考慮以下幾個方面: (1)預見性。能否結合現(xiàn)有的風險因素評估來預測新基因功能網(wǎng)絡的行為特征?(2)進化趨向。如果新的基因回路中某個或某幾個元件按照預期停止工作或其功能發(fā)生改變, 整個網(wǎng)絡將會發(fā)生怎樣的改變? (3)魯棒性(robustness)(Schmidt, 2009)。如何評價新的基因回路在遺傳特性或功能方面的魯棒性?指標與單位是什么?(4)可信度�；蚧芈房尚哦扔卸啻�, 如何來度量?最適單位是什么?(5)潛在風險。是否會有某一意外事件或一系列導致諸如死亡、受傷、職業(yè)病、損壞、設備或財產丟失或環(huán)境損害等事件發(fā)生?

安全特性是風險評價的基礎, 只有完善安全標準, 才能評價新的基因回路的安全性, 進而決定其是否能夠商業(yè)化或在環(huán)境中釋放。到目前為止, 國際上已注冊的生物方磚(biobricks)基因部件數(shù)據(jù)表(datasheet)中只包含了簡單部件的可信度數(shù)據(jù), 沒有有關安全的詳細信息(Canton et al., 2008)。而可信度只是評價復雜的基因回路安全性的第一步, 基于生物方磚的基因回路系統(tǒng)設計而成的生物體, 其安全性還存在許多亟待研究的問題。

1 合成生物學的生物安全評價

1.1 合成生物學的潛在風險

從合成生物學的研究與潛在應用來看, 其進展的每一步都將與生物安全問題密切相關。要確定一項新技術是否可以安全地用于研發(fā), 或應用于醫(yī)學診斷和治療、藥物、食品、飼料、農業(yè)、燃料、工業(yè)和生物修復等領域的商業(yè)化, 以及商業(yè)化后是否能足夠安全地投放于市場, 需要適當?shù)娘L險評價方法來預測每個環(huán)節(jié)所面臨的風險。合成生物學與傳統(tǒng)的基因工程類似, 故針對基因工程所開展的生物安全評價可能成為合成生物學風險評價的基礎。然而, 我們仍然需要明確其評價方法是否足以監(jiān)控未

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