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合成生物的专业前景

(2022-06-22 07:18:25)
标签:

合成生物

生物教学

高考

生物

分类: 专业博文

#报考合成生物拿捏三高##志愿种草季#

去年,在美国国会的一场听证会上,一些共和党议员轮番质问有“美国钟南山”之称的防疫专家,美国国家传染病研究所所长福奇博士,是否提供了资金和技术帮助中国的合成生物研究,从而搞出了新冠病毒这个东西,让福奇在愤怒之余也对这些议员的无知哭笑不得。那么,究竟合成生物是什么东西,这个专业的前景怎样呢?

在美国的高中生物课本里面,对合成生物已经有比较系统的介绍了。用简单的一句话来说:合成生物其实就是基因工程的深化和系统化,模式化。

自从人们在 1950 年代发现了 DNA 的结构以来,我们对生物的认识正式进入了分子时代。我们知道了控制遗传的物质基础是基因,也就是能够控制生物过程(Biological processes) 的一段段核酸 (DNA 和 RNA),于是,人们开始试图通过对这些核酸的片段进行改造,以达到人工控制生物过程的目的。所谓“生物过程”,在宏观上来说,可以是物种表面上的东西,比如水果的大小,稻米的亩产量多少,能不能抗病,菠萝能不能特别甜之类;在微观来说,可以是生物体内的生化反应过程,比如某种激素能不能分泌,某种抗体能不能识别新冠病毒变异等。

随着人们对核酸的碱基序列分析能力的不断提高,就知道了某一段核酸可以干嘛,于是我们就开始把核酸切成一段段来组装、合成,让我们重新组装的核酸来专门为我们做某些事情。比如我们知道某段核酸可以控制胰岛素的生产,于是我们就可以大量生产这段核酸,把它弄到细菌的细胞里面,让细菌可以大量生产胰岛素,这样要比从人身上提取便宜多了。这个就是基因工程的萌芽了。随着基因工程的大量实际应用,人们还开始尝试合成一些基因组了,比如最新的成果是可以人工合成酵母的一条染色体。

但是,基因工程所做的东西,只不过是把某些基因原本的功能加以重新组合,最多有点改造而已。比如,小麦抗倒伏,抗病,高产的基因,可能分布在三种不同的小麦品种里面,通过基因工程,我们把这三种基因放到一种小麦里面,让我们可以只种一个品种,就同时获得抗倒伏,抗病和高产的好处。但是,我们没有办法设计出一种叫做“中麦”的新品种,对整个品种的生物系统进行全新的设计和深度改造。于是,“合成生物学”就应运而生了。

合成生物学要做什么呢?简单来说,合成生物学要做下面的几件事:

第一:使用我们在传统的生物学上获得的材料,使用系统生物学的方法对它们进行分析。

第二:使用电脑技术和工程技术,设计出新的生物系统(能产生全新的生物过程的系统),或者对原有的生物系统进行深度的改造。

第三:把改造后的全新的生物系统标准化,模式化和去耦合化(decoupling)。所谓“标准化”,就是要定义和界定用来当材料的生物元件,把功能的表述规范化。所谓去耦合,就是通过研究生物元件之间可能的相互作用,把这些相互作用规范化了,避免人造生物系统出现相互不兼容或故障的可能。而模式化,就是把生物系统的复杂功能拆解细分成功能化的模块,就好像我们组装一台电脑一样,可以根据需要选择不同的主板,显卡,记忆条,硬盘,风扇。。。等等。

正如大家所看到的,合成生物学上面要做的三件事,每一件事都可以读出一个博士学位来的。而简单的对生物材料的分析,使用的仪器非常简单,连高中生都能做。但是,懂得怎样设计全新的生物过程,甚至能参与第三件事的制定,就不是普通的本科生能掌握的了。

在近十年,合成生物学呈现了爆炸性的成果,也让我们看到了巨大的潜力。早期的成果,只不过是包含两三个基因的所谓“基因开关” (genetic toggle switch),现在我们已经能够设计出包含十几个基因的,能按照我们的设计去做一些全新的生物过程的“基因程序”(genetic program)。

集成电路的出现,让我们在很小的一片硅芯片上面可以放一个非常复杂的电路系统,从而让人类的科技文明产生了一次巨大的飞跃,现在我们人手一个手机,就是这个革命的结果。而合成生物学的出现,也将会让我们的未来产生一次更巨大的飞跃。从mRNA疫苗的产生,到基于生物神经网络系统深度学习能力的人工智能,都可以看到合成生物学的身影!国内合成生物学系统应用的第一个基地出现在天津,无论是掌握其中的技术,还是创业以获得风险投资的青睐,合成生物学可谓是站在下一次科技革命的潮头。

因为合成生物学每一样东西都有非常深入和非常多的东西要做,在这个领域的时间越长,经验越多,越有发明创造的能力,因此,这个领域是一个“高稳定”的领域,不会人到中年就被炒;其次,这个领域是目前的科技潮头,对于高追求的人来说,是一个创业的好机会。当然了,合成生物学需要的知识,已经不是传统的生物学需要的生物,化学知识了,还必须在数学,物理,电脑系统,工程方面有深厚的知识,属于一个高精尖的领域。

欢迎一切有抱负的同学加入合成生物学的领域!

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