改造基因、構建特殊生物……合成生物學如何影響生物多樣性？

出品：科普中國

製作：海獺科普

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

10月11日，《生物多樣性公約》第15次締約方大會（COP15）在我國雲南省昆明市開幕。即將在COP15上誕生的“2020年後全球生物多樣性框架”，會爲未來10年全球生物多樣性保護指明方向。

△圖片來源：生物多樣性公約締約方大會官網

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

△生物多樣性公約締約方大會第十五屆會議臨時議程（圖片來源：中華人民共和國生態環境部官網）

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

什麼是合成生物學

合成生物學是生物科學的一個分支學科，研究的是人們如何根據具體的使用需求，將對應的基因通過生物技術組合在一起，構建出需要的特殊生物。

中國科學院院士、中國科學院合成生物學重點實驗室專家委員會主任趙國屏認爲：

合成生物學能利用大腸桿菌生產大宗化工材料，擺脫石油原料的束縛；能利用酵母菌生產青蒿酸和稀有人蔘皁苷，降低成本，促進新藥研發；能利用工程菌專一攻擊癌細胞，卻不“誤傷”正常細胞；能創制載有人工基因組的“人造細胞”，探究生命進化之路；能利用DNA儲存數據信息並開發生物計算機……

作爲科學界的新生力量，合成生物學進展迅速，並已在化工、能源、材料、農業、醫藥、環境和健康等領域展現出廣闊的應用前景。

合成生物學應用的一個典例，就是基因滅蚊。

2015年，中山大學的奚志勇教授在廣東進行了“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，與野生雌蚊交配後產的卵不能發育。

研究團隊與廣東省和廣州市的疾控中心合作，選擇了兩個相對隔離的小島，大規模投放這些培育的“絕育”蚊子。兩年後，試驗區野生蚊子數量減少了90%左右。這一結果2019年發表在《自然》期刊上。

△基因滅蚊（圖片來源：廣州日報）

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險，又減少了化學制劑污染，似乎百利而無一害。

那深受蚊蟲叮咬困擾的讀者們就要發問了：爲什麼合成生物學滅蚊技術沒有推廣開來，應用到更廣泛的地方，給我一個沒有蚊蟲的夏日呢？

這就事關生物多樣性的問題了。事實上，最早對於基因改造的生物擴散產生擔憂的，正是研究基因工程的科學家們。

影響生物多樣性的雙刃劍

在1974年，科學家使用合成生物學的方法，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，再用這種改造過的致癌型病毒感染小鼠，構建癌症小鼠模型，從而在這些小鼠身上進行癌症化療藥物的開發實驗。

病毒攜帶的致癌相關基因成功地整合到小鼠的基因組中，抗癌事業邁出了一大步。但風險也隨之而來：攜帶致癌基因的病毒一旦擴散到實驗室外，就有可能感染同樣是哺乳動物的人類，引發癌症。隨着人類活動的擴散，其他動物也可能遭殃。

可以看到，如果隨意使用合成生物學，可能會極大危害生物多樣性。

1975年2月，科學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）上進行激烈辯論，討論相關研究是否應該進行下去。

△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，研究應該繼續，但要對實驗進行風險評估，並根據風險程度把握安全控制的鬆緊尺度。

此後，科學家們對合成生物學的使用更加慎重。比如，生物學家進行基因編輯的時候，會對某些特定的危險細菌進行改造，使這些細菌在實驗室外無法存活，防止對自然界中的生物多樣性造成威脅。

謹慎利用，保護生物多樣性

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飛速發展，各種改造過的SV40病毒株已經是生物研究的常用工具，在基礎生物研究和醫學研究中立下了汗馬功勞，且至今沒有合成生物學對公衆健康造成危害的實例報道，這些很大程度上都要歸功於科學家們的審慎。

不僅如此，如今，合成生物學的合理使用還爲保護生物多樣性提供了助益。

例如，合成生物學可以被用來人工設計、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，降低常規的種植、培育、採摘、提取這一自然生產流程的成本，從而減少盜獵捕殺野生動物和濫採濫摘野生植物的行爲，進一步保護生物多樣性；

再如，生物合成化工材料可以減少化工污染，保護環境，爲瀕危生物棲息、繁衍提供更好的自然環境；

此外，利用工程菌生產植物的提取成分，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，人類利用篩選基因、改造基因、設計基因，實現着越來越理想化的生活。

然而，合成生物學就像一把雙刃劍——謹慎、科學地利用會保護生物多樣性；用得不當則會對自然界中的生態系統造成毀滅性打擊。謹慎的科學態度和有效可執行的規則制度，是這把雙刃劍最好的劍鞘。

參考文獻：

（1）聯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）美國佛羅里達羣島試行基因滅蚊法.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：生命科學的“利器”. 中國科學院科技產業網 •2020-11-17 •專家解讀 http://www.castt.ac.cn/news/detail/21944.html.