合成生物学生物安全风险评价与管理

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第2期 关正君等: 合成生物学生物安全风险评价与管理 139

合成生物学(Synthetic Biology)是化学、工程学、信息学、物理学和生物学等多学科交叉的一门崭新的技术学科(van Est et al., 2007; O’Malley et al., 2008; POST, 2008; Pei et al., 2011a)。其研究领域主要包括基因回路(Benner & Sismour, 2005; O’Malley et al., 2008)、最小基因组 (Deplazes, 2009)、原型细胞的构建(O’Malley et al., 2008)以及化学合成生物(创建自然界不存在的生物系统, 如xeno-nucleic acids, XNA) (Herdewijn & Marliere, 2009; Schmidt, 2010)。因此合成生物学被认为是新医药产品研发、活体治疗、生物传感器、可持续生物燃料生产以及生物材料制造等方面极具美好发展前景的一个新兴领域。

合成生物学研究旨在创建以应用为目的的新型生物, 同时通过从零开始构建生命体来深入了解生命系统。该学科作为现代生物技术的一个新的分支, 在迅速发展的同时, 对社会的影响及其可能带来的风险受到日益关注。然而, 相对于生物安全其他方面的议题, 有关合成生物学的相关报道却较少(European Commission, 2005; Pauwels, 2009)。对于这样一项具有发展前景、与社会经济发展和人们生活关系密切的新技术而言, 其发展目标、潜在风险和可能的社会影响迫切需要更多的科学家和民众的关注(de Vriend, 2006; Garfinkel et al., 2007; Bal-mer & Martin, 2008)。我们综述了国内外合成生物学的风险评价、生物安全工程、伦理道德以及当前热点议题, 分析了当前已有管理法规的优势与不足, 并针对我国现状提出了相应建议, 希望能为我国合成生物学的发展和安全管理提供借鉴。

合成生物学发展中可能出现的安全问题。 1.1.1 基因回路(DNA-based biological circuits)

合成生物学的显著特点之一就是可以利用已有的生物元件进行基因回路的组装, 设计出更加复杂的基因调控网络。如大肠杆菌中双稳态基因调控网络的构建、压缩振荡子的合成(Gardner et al., 2000; Elowitz & Leibler, 2000)等。借助基因回路的研究, 不仅可以更深入了解生命的构成和调控原理, 还可以设计具有所需功能的基因元件, 构建、合成生物系统。

在合成生物学研究中, 依赖的不是单一部件, 而是运用数种来自于不同供体的基因或部件的特性改变整个体系, 这也是合成生物学与基因工程最显著的差别。新合成基因的功能特性会在设计和合成过程中产生难以预计的影响。显然, 现有生物安全法规不能应对这种复杂的基因回路系统。当前不仅需要评价特定环境下新基因元件在新细胞中的行为, 更应特别关注基因回路中插入到细胞中的诸多新型基因部件之间相互作用所产生的安全问题。但是, 目前仍很难准确地预测细胞的全部行为。

对于基因回路中的安全性问题一般考虑以下几个方面: (1)预见性。能否结合现有的风险因素评估来预测新基因功能网络的行为特征?(2)进化趋向。如果新的基因回路中某个或某几个元件按照预期停止工作或其功能发生改变, 整个网络将会发生怎样的改变? (3)鲁棒性(robustness)(Schmidt, 2009)。如何评价新的基因回路在遗传特性或功能方面的鲁棒性?指标与单位是什么?(4)可信度。基因回路可信度有多大, 如何来度量?最适单位是什么?(5)潜在风险。是否会有某一意外事件或一系列导致诸如死亡、受伤、职业病、损坏、设备或财产丢失或环境损害等事件发生?

安全特性是风险评价的基础, 只有完善安全标准, 才能评价新的基因回路的安全性, 进而决定其是否能够商业化或在环境中释放。到目前为止, 国际上已注册的生物方砖(biobricks)基因部件数据表(datasheet)中只包含了简单部件的可信度数据, 没有有关安全的详细信息(Canton et al., 2008)。而可信度只是评价复杂的基因回路安全性的第一步, 基于生物方砖的基因回路系统设计而成的生物体, 其安全性还存在许多亟待研究的问题。

1 合成生物学的生物安全评价

1.1 合成生物学的潜在风险

从合成生物学的研究与潜在应用来看, 其进展的每一步都将与生物安全问题密切相关。要确定一项新技术是否可以安全地用于研发, 或应用于医学诊断和治疗、药物、食品、饲料、农业、燃料、工业和生物修复等领域的商业化, 以及商业化后是否能足够安全地投放于市场, 需要适当的风险评价方法来预测每个环节所面临的风险。合成生物学与传统的基因工程类似, 故针对基因工程所开展的生物安全评价可能成为合成生物学风险评价的基础。然而, 我们仍然需要明确其评价方法是否足以监控未

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