赵国屏与合成生物学的故事

赵国屏，分子微生物学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，美国微生物科学院院士。现任复旦大学生命科学学院微生物学和免疫学系主任，中科院上海营养与健康研究所生物医学大数据中心首席科学家，中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所首席科学家，中科院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室专家委员会主任，山东大学公共卫生学院健康医疗大数据研究院/国家健康医疗大数据研究院首席科学家。

研究领域涉及微生物基因组学、系统与合成生物学以及生物信息学等方面。曾参与启动中国人类基因组计划及相关生命“组学”研究，克隆若干遗传病致病基因；主持若干重要微生物的基因组、功能基因组、比较和进化基因组研究，解析SARS冠状病毒分子进化机制。在细菌蛋白质乙酰化组和肠道微生物组等领域作出若干开创性工作。组建并领导中科院合成生物学重点实验室，在酵母染色体重构、代谢组与代谢流量组研究、天然化合物细胞工厂制造、基因编辑技术研发等方向上，实现重要突破。近年来，参与组建并领导中国科学院上海生命科学研究院（现营养与健康研究所）生物医学大数据中心，为建设国家生物医学大数据综合性服务平台做好生物医学大数据的基础性工作。

20岁插队，30岁上大学，35岁赴美留学，42岁博士研究生毕业，44岁回国，46岁任职中国科学院，57岁当选院士。赵国屏院士的人生经历可谓传奇，每一步都充满了挑战与奋斗，但对他自己来说，其实也颇为简单，“一切都起源于初中时读了《科学画报》上讲DNA双螺旋模型奠定遗传的分子基础和电子显微镜揭示了亚细胞结构的文章，从而下决心一辈子要搞生物学。此后的一切，只是不论遇到什么环境的变化，我都坚守了这一心仪的‘使命’，以实践我在中学读书时所确立的为中国人民幸福服务的‘初心’罢了！”

赵国屏院士与合成生物学的故事也与他一生不变的“初心和使命”密切相关。如同他在初中时就被生命的分子机制所吸引以及50岁时义无反顾地接受中国科学院的重托，与李载平、裴钢院士一起领衔人类基因组研究一样，2007年，他参加中国科学院规划2050年重大交叉前沿科技领域发展路线图的工作，在负责“生命起源、进化和人造生命”部分的研讨过程中，逐步感受到生命科学和生物技术领域又一个新的革命正在来临。因此，他除了推动组织国内外相关科学家的系列研讨，还带领团队于2008年申请获批成立了中国科学院的“合成生物学重点实验室”。此后经10年探索，终于在一个分子微生物学实验室的基础上，建立起工程化的研究体系，在“建物致知”和“建物致用”两个赋能方向上都取得了重要的科学突破，并取得了使能技术的颠覆性创新成果。2018年以后，他又直面中国生物医药产业创新发展的核心难点，致力于将科研成果经转化型研究转化为产品，再推动监管科学创新，为合成生物学成果的“产业转化”保驾护航。他的奋斗历程和卓越成果，既在科学发展战略趋势的研判中，展现了中国科学家的全球前瞻视野；又在科学创新道路的探索中，体现了中国科学家勇担重任、踏实认真、锲而不舍的传统精神。

“合成生物学的内核就是‘会聚’，是工程科学、系统科学、计量科学以及合成科学等与生命科学的会聚。而其研究任务，主要就是两个方面：一是工程化生命的合成，即赋能生命科学研究，形成‘建物致知’的新策略；二是生命过程的工程化，即赋能生物工程和代谢工程，强化‘建物致用’的可预见性，实现高效设计与精准调控。”赵国屏院士这样界定合成生物学当前的使命。

21世纪初，工程科学进入生命科学领域，带来了两个重要的转变。首先是对生命体系的认识，即用工程的视角来看待生命体系，将其视为由元件组成的线路在底盘上“自下而上”进行装配的结果；其次是引入了工程科学的研究范式，即设计-构建-测试-学习（D-B-T-S）反复迭代的研究方式。今天所说的“合成生物学”就是在2000年，美国化学家EricKool在基因组学和系统生物学基础上，受工程科学家成功利用生物元件构建逻辑门线路的启发，引入工程科学基本理念而重新定义的。

早在2005年，天津大学、北京大学等一批中国高校学生就参与了由麻省理工学院（MIT）一批工程学家与生物学家们共同发起的“国际遗传工程机器设计竞赛（iGEM）”。此后，除了前面提到的中国科学院组织的“50年科技发展路线图”之外，2008年的香山会议和东方论坛也在中国科技界引起了重要反响。但中国科学家对于本世纪初在工程科学基础上重新界定的“合成生物学”从定义到内涵以及任务与支撑体系的全面理解，是在此后一面积极参与国际合作，与德、英、美等国家的科研机构和科学家进行深入的交流，另一方面在科技部的支持下，全国一盘棋，系列开展重点专项的研究，经过近20年的实践探索，逐步升华凝练而成的。其中，2008年，赵国屏院士组建的中国科学院合成生物学重点实验室的成立，标志着我国在该领域的研究进入了“成建制研究”的新阶段，其经验教训尤其值得总结。

这个实验室，经最初10年的探索与沉淀，产出了4大研究成果：“一是覃重军研究组将酿酒酵母的16条染色体合并为1条，为真核生物起源提供了‘建物致知’的范例；二是杨琛研究组利用代谢组和代谢流技术，在蓝细菌中发现了与人类尿素循环类似但结构功能有明显差别的新代谢途径，为植物氮代谢平衡机制提供了新的见解；三是在天然化合物合成方面取得了显著进展，如甜菊糖苷和稀有人参皂苷的细胞工厂合成等，为生物医药研发探索了‘建物致用’的新方向；四是在关键技术的颠覆性突破方面取得了重要成果，在率先发现了Cas12a顺式识别反式切割功能基础上，成功开发了HOLMES核酸检测技术，与张锋等人开发的SHERLOOK共同成为CRISPR-Dx的底层专利。”赵国屏院士介绍说。

赵国屏院士表示，在过去20多年中，合成生物学虽然在元件工程、线路工程、代谢工程、基因组工程和细胞工程这5大领域都取得了很大的进展，但是仍面临多重挑战，需要从设计、构建到测试、学习各方面，推进合成生物学基础研究。在技术层面，也需不断创新和突破，形成更高效、更稳定的工具包。

“核心挑战是解决设计层面的问题。我们正致力于发展‘定量合成生物学’探索生命过程‘功能涌现’的规律。”赵国屏院士进一步指出，生命体系跨层次功能涌现是在生物体从单细胞到多细胞个体的生长、分化、发育过程中完成的，其生物学规律是自然界用了30多亿年的时程，在无以计数的生命单元，从分子、细胞到个体与群体的“进化”（包括中性进化和自然选择），用我们尚未读懂的“遗传语言”编码在基因组中的。而我们现在正在尝试用合成“工程化的生命”去探知其中的物理学和化学的规律，而只有认识了这些规律，“理性”的“从头设计”才真正有了预测性的基础。

在谈及是否所有化合物都可以通过生物合成的方法制造时，赵国屏院士坦言，理论上虽然可行，但实际操作中不仅困难重重，而且并非一定必要。今天的合成生物制造，多数尚处于对自然界过程的模拟或改进以提高效率，离达到从头设计的层次，尚有很长的一段路要走。当然，合成化合物分子比合成生命还是要简单不少。相信如果有效综合合成生物学的高通量“构建”并产生高质量“大数据”的能力，结合人工智能大模型的“学习”，在这方面出现突破，应该是指日可待的。正因为如此,尽管合成生物学已经取得了令人瞩目的成就，但它的应用和“赋能”潜力远远未被完全挖掘。随着技术的不断进步和研究的深入，合成生物学将继续引领生命科学和生物技术领域的发展，为人类带来更多的惊喜和可能性。