北京化工大学生命科学与技术学院傅鹏程
[导读] 太阳光、二氧化碳，再加上经过改造过的微生物蓝藻就能制造出生物燃料乙醇，而让这一切变成现实的是一个正在兴起的前沿技术——合成生物学。近日，仪器信息网采访了这一项目的研究者，北京化工大学傅鹏程教授。
太阳光、二氧化碳，再加上经过改造过的微生物蓝藻就能制造出生物燃料乙醇，而让这一切变成现实的是一个正在兴起的前沿技术——合成生物学。近日，仪器信息网(以下简称为：Instrument)采访了这一项目的研究者，北京化工大学生命科学与技术学院傅鹏程教授。傅鹏程教授给我们讲述了他与合成生物学研究结缘的故事，以及合成生物学如何给我们的生活带来改变、合成生物学面临的挑战等。
Instrument：请问您是如何与合成生物学研究结缘的?
傅鹏程：我接触合成生物学其实在世界上都算比较早，这个必须衷心感谢美国加州大学伯克利分校退休教授Alex Karu博士。我一直有意识地寻找一些前辈，我可以视为人生导师的良师益友，这样我可以向他们学习到很多宝贵的人生经验。Alex Karu就是其中之一。他退休之后的嗜好就是每天阅读《Nature》和《Science》有关生物学的最新科研文章，然后分门别类做出自己的评语，判定他认为现代生物技术的热点方向，并通过电子邮件把他的归纳总结每天发给我，每天少则十几条，多则几十条，我读后再和他电话讨论。当时我是夏威夷大学教授，每天在一线工作，没有时间天天看生物学的最新文章，但却能轻松跟踪生物学领域的最新前沿研究，这全仗Alex Karu的帮助。
2004年，Alex Karu已经发现合成生物学即将在系统生物学之后成为现代生物学最新研究前沿，希望我能够立即跟进。我听从他的建议，在大多数人还不知道合成生物学为何物时，已经开始进行这方面的研究，发表了系列综述文章。2009年还出版了一本英文专著《系统生物学和合成生物学》，由美国Wiley出版社出版，全球发行，目前欧美很多高校将这本书作为研究生教科书或者教学参考书。但不幸的是Alex Karu在书出版之前于健身房中突发脑溢血猝然去世，没有看到本书的面世。非常遗憾的是，直到他去世，我都没能与Alex Karu见面，只有把感激永远藏在心中。谨此向我的人生导师致敬!
Instrument：请您介绍一下合成生物的理念?合成生物学在哪些方面可以发挥作用?
傅鹏程：合成生物学最关键是借助了工程系统成熟的理念和应用来创造新的生物系统。例如，汽车是由十几万个部件组成，每个零部件的功能都预先设定好了、标准化的，一旦某个零件换了，只要更换即可发挥同样的作用。而对于生物系统而言，原来都是自然而成的，如今我们要借助了工程系统的理念来修改和构建生物系统，通过将设计好的生物元件放入一个生物系统中，从而使其实现预先设定的功能。
合成生物学研究主要有两种，一是通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，修改已存在的生物系统，使该系统增添新的功能;二是通过设计和构建新的生物零件、组件和系统，创造自然界中尚不存在的人工生命系统。
目前，合成生物学已经在医疗保健、能源、环境保护、食品安全等方面发挥作用。例如，治疗疟疾的药物青篙素是从一种产自四川的植物青篙中提取得到，传统的提取方法效率低，成本高。美国伯克利大学的一位教授将青篙素的一些基因作为一个生物元件，构建生物模块并把此生物模块元件置入其他微生物里，再通过发酵便可大规模获得青篙素。此外，在食品安全方面，合成生物学应用最广的是生物传感器，利用合成生物学原理制作的生物传感器可以快速地检测食品中微生物等是否超标。在环境保护方面，有科学家将几个不同的、可降解污染物的基因置于一个微生物里，制造出所谓“超级菌”，它可以降解污水及土壤里的有机物。
Instrument：请问系统生物学与合成生物学之间是什么关系?
傅鹏程：系统生物学是利用系统信息，包括组学数据让人们更加深入了解生命体的结构、功能及相互作用。在系统生物学研究基础上，人们可以找到某个相应的靶点来改造一个特定的生物环节，从而使改造后的生物系统实现我们事先预设的功能。也就是说系统生物学与合成生物学是相辅相成，两者合用的重点通常是从基因组角度拆分自然生物系统，表征和简化它们，并利用他们作为部件重组工程化生物系统。
系统生物学研究在上世纪90年代兴起，随着组学研究工具及高通量筛查仪器的发展，研究者们得到了大量的数据，从而为系统生物学研究铺平道路。随后，在本世纪初，合成生物学研究才随之跟进、开展开来，立即成为生命科学和生物技术的热门学科。
Instrument：合成生物学面临哪些主要挑战?与国外相比，中国的合成生物学研究处于什么水平?
傅鹏程：合成生物学面临的如下挑战：首先它是一个非常新的领域，合成生物学是本世纪才发展起来的新一代生物学，它的定义、研究范围等都还没有很明晰，这个新兴学科犹如尚未成熟而潜力巨大的操作系统，正在升级换代中。其次，合成生物学是各种学科交叉的结果，所以如何把其它学科成熟的概念和应用实践成功地转化进入生物系统，需要很多的尝试。第三，合成生物学诞生在现代科学技术飞速发展的21世纪，后基因组时代高通量测量产生着海量数据，如何从中挖掘有意义的信息，应用于合成生物学，是一个必须直视的挑战。最后，生物系统的复杂性是系统生物学和合成生物学必须面对的首要问题。细胞等生物是由大量结构和功能不同、相互作用的网络组成的复杂系统，并由大量生物元件非线性的相互作用产生复杂的功能和行为。生物体的复杂性和大量过程的非线性动力学特征对计算科学也是一个新的挑战。但无论如何，合成生物学仍然是一个充满机会的研究领域。
许多发达国家已投入巨资开展相关研究，并在生物能源、医药、环境修复等领域取得了令人瞩目的成绩。与国外的研究比较，中国在合成生物学，以及系统生物学的研究方面处于相对薄弱的状态，但是，我国的科研人员开始意识到这个生物学前沿学科的重要意义。2008年，中国举行了以“合成生物学”为主题的第322次香山科学会议;2009年，又以“合成生物学基础前沿问题”为主题召开第144期东方科技论坛。在国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020) 中，明确提出要对交叉学科和新兴学科“给予高度关注和重点部署”，并将“生命体重构”列入科学问题“生命过程的定量研究和系统整合”的研究方向。相信我国会有越来越多的科学家和工程师加入到工程化生物学的研究及应用当中。金秋十月，由我们主办的2014合成生物学国际论坛将在北京召开，届时来自全球顶尖的合成生物学家将与中国学者交流，并为中国学者参与合成生物学研究提供合作及学习的机会。
Instrument：请介绍一下您所进行的以蓝藻为底物进行生物燃料研究的情况?
傅鹏程：蓝藻是一种光合生物，它有一个特点就是能充分利用太阳能，经过光照后，发生光合作用，蓝藻将太阳能转化为化学能。为此，我们通过合成生物学的方式，利用基因工程改造特定的藻类，开发出蓝藻工程菌，再通过光合生物反应过程使藻类用温室气体二氧化碳直接生产燃料乙醇。
这种蓝藻工程菌仅仅需要阳光和二氧化碳作为原料就能够生产出乙醇，因此具有生物质发酵工艺生产乙醇所不具备的种种特点：(1)燃料乙醇生产效率高，耗能小，成本低。(2)就地吸收电厂等单位排放的温室气体。(3)不使用任何农作物作原料，不与人类争夺粮食。(4)生产周期短。蓝藻接种五天后可开始生产燃料乙醇。(5)可稳定连续化大规模生产。(6)生产工序大大简化。(7)不产生固体废弃物及不排放有害气体。(8)没有原材料运输问题。
目前，实验室“生产”已经不存在问题，但是要实现产业化生产还有许多具体的工程化问题要解决。
Instrument：在科学研究中，检测工具都扮演着至关重要的角色，请问合成生物学研究主要利用哪些仪器?您是否有研制或改进相关仪器?
傅鹏程：就像前面提到的合成生物学研究与系统生物学是相辅相成的，研究中也要涉及系统生物学。所以在使用的仪器方面，除了利用常规的分子生物学必须的仪器设备，例如PCR仪、凝胶电泳等之外，还需要许多高通量的仪器提供组学的测量，例如基因芯片、核酸合成仪、质谱仪器等。
针对课题组的研究需求，我们还自主研发了微流控装置，该装置是有一个很小的腔体，只能让单细胞通过，这样利用此装置及电子显微镜，我们可以观察单个细胞的信息。
此外，我们的研究中还需使用微反应器阵列及与测定光合作用的有关仪器。这些仪器相对而言较简单，我们有构想，希望找到相关企业能够产业化。
采访编辑：杨娟
附录：傅鹏程教授简介
傅鹏程博士从浙江大学化工系获得学士(1982年) 和硕士(1988年) 学位后，曾在中国石化总公司广州石化总厂工作(任控制工程师)，1996年获澳大利亚悉尼大学博士学位，嗣后先后在日本九州工业大学(1996-1997年)，美国明尼苏达大学(1998-1999年)和加州大学圣地亚哥分校(1999-2000年)从事生物工程博士后研究。2001年入美国DIVERSA生化公司工作(主要从事生物系统基因表达，代谢工程及发酵技术研究)。2002年应聘至夏威夷大学分子生物科学与生物工程系任教授。2013年5月到北京化工大学生命科学与技术学院工作。本研究室的研究方向为海洋及淡水藻类的开发，重点在蓝藻基因工程改造以利用太阳光和CO2生产燃料乙醇。此项发明已申请了美国专利及国际专利。与瑞士教授Sven Panke合编《系统生物学与合成生物学》，由美国Wiley 出版公司2009年4月出版。傅博士是2005年美国农业部及2009年美国能源部生物能源研究项目基金评审委员会成员。
其他研究兴趣：
1. 土壤生物修复; 深海海藻活性物质激活本源土壤微生物种群，降解吸附重金属，分解有机污染物，吸收氮磷等养分，修复土壤，恢复有机碳，氮循环;刺激陆生植物体内非特异性活性因子的产生，并调节内源激素的平衡，对作物具有的促进生长作用。
2. 大数据生物工程;传统的发酵工程，酶工程和细胞工程等传统生物工程能够实时应用基因组，蛋白质组，代谢组，脂质组信息和细胞代谢等等大数据，实现传统生物产业，特别是发酵工程的升级换代。 3. 生物能源与生物燃料;结合合成生物学和藻类生物技术，以太阳能和二氧化碳为输入生产生物能源和生物燃料。
