由馬里堡馬克斯普朗克陸地微生物研究所的Tobias Erb及其同事開發(fā)的合成代謝途徑將大氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)，比植物能夠通過(guò)光合作用更有效。我們?cè)儐?wèn)研究人員這個(gè)過(guò)程對(duì)氣候保護(hù)有何意義，討論了研究小組為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)必須克服的障礙，并研究了合成生物學(xué)開辟的新觀點(diǎn)?，F(xiàn)在，固定二氧化碳的合成代謝途徑是否是抑制氣候變化的有效手段?

首先，我們的目標(biāo)是了解氣態(tài)二氧化碳如何轉(zhuǎn)化為有機(jī)分子的基本生物和化學(xué)原理。我們的主要?jiǎng)訖C(jī)不是阻止氣候變化。我們正在尋求利用生物方法開發(fā)大氣中的二氧化碳作為未來(lái)的碳源。生產(chǎn)二氧化碳中性過(guò)程甚至是從大氣中去除二氧化碳并對(duì)氣候產(chǎn)生積極影響的過(guò)程將是一種極好的次要影響。

不過(guò)，我相信有很多方法可以阻止氣候變化。最簡(jiǎn)單的開始是每天節(jié)約能源。我也認(rèn)為我們可以利用和改善CO2固定的生物學(xué)。設(shè)計(jì)師的代謝途徑，每個(gè)CO2分子消耗更少的能量，或更快地從大氣中固定CO2，顯然代表了一種生產(chǎn)基于CO2的生物技術(shù)的有趣方法。

您目前的流程與應(yīng)用程序有多接近?

我們的工作主要還是純粹的基礎(chǔ)研究。我們成功地在試管中新建了一個(gè)基本的生命過(guò)程 - 將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì) - 這是有史以來(lái)第一次。我們?cè)谠嚬苤杏行У禺a(chǎn)生了代謝器官。然而，將這種代謝器官移植到生物體中代表了完全不同的挑戰(zhàn)。

為什么移植到活細(xì)胞會(huì)面臨這樣的挑戰(zhàn)?

我們無(wú)法預(yù)測(cè)由17個(gè)反應(yīng)組成的循環(huán)如何在同時(shí)發(fā)生3,000種不同反應(yīng)的細(xì)胞中起作用。成功的移植顯然需要花費(fèi)大量時(shí)間。馬克斯普朗克協(xié)會(huì)為我和我的集團(tuán)提供了關(guān)注下一個(gè)復(fù)雜步驟的機(jī)會(huì)，但結(jié)果遠(yuǎn)非確定。雖然我們的計(jì)算基本上表明我們的新路徑可以比植物中的天然代謝途徑以更節(jié)能的方式發(fā)揮作用，但我們必須在實(shí)驗(yàn)中證明這一點(diǎn)。

開發(fā)合成代謝途徑最困難的方面是什么?

最大的困難是沒有設(shè)計(jì)繪圖板上的代謝途徑 - 只用了一兩個(gè)星期。但是，我們花了兩年多時(shí)間在實(shí)驗(yàn)中實(shí)施理論循環(huán)。首先，我們必須找到循環(huán)的所有個(gè)體生物成分，酶，并將它們結(jié)合在一起。我們必須從超過(guò)5000萬(wàn)個(gè)已知基因和40,000種酶中鑒定出少數(shù)潛在候選物，并單獨(dú)測(cè)試它們并與其他組分相互作用。

你有什么障礙，你最初無(wú)法進(jìn)步嗎?

我們無(wú)法讓這個(gè)循環(huán)長(zhǎng)時(shí)間工作。問(wèn)題在于，一種酶最初只能使用化學(xué)試劑 - 一種精確的含鐵化合物 - 這使得其他酶絮凝，從而將它們從溶液中除去。我們首先必須轉(zhuǎn)換這種酶，將其用作與其他合作伙伴兼容的氧氣劑。

你在路上遇到了哪些其他問(wèn)題?

第二個(gè)主要障礙是這個(gè)循環(huán)在開始時(shí)只能緩慢起作用并且很快就會(huì)動(dòng)搖。這是由于反應(yīng)錯(cuò)誤太多。我們最終發(fā)現(xiàn)乍一看似乎是一種非傳統(tǒng)的解決方案。我們只是在循環(huán)中添加了更多的酶。這些額外酶的任務(wù)只是糾正循環(huán)內(nèi)的反應(yīng)錯(cuò)誤。作為生物學(xué)家，我們顯然對(duì)這些代謝矯正循環(huán)的關(guān)注太少，但它們?cè)谧匀淮x中似乎也非常重要。

合成方法在生物學(xué)方面仍然相對(duì)較新。這種方法與其他生物學(xué)科的方法有何不同?

作為生物學(xué)家，這種合成方法對(duì)我們來(lái)說(shuō)仍然不尋常。我們習(xí)慣于將生物系統(tǒng)分開并進(jìn)行分析，但不是從頭開始構(gòu)建新系統(tǒng)。我們必須在幾個(gè)階段緩慢地找到方向，因?yàn)槲覀兪孪葞缀鯖]有任何合成系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)則。例如，我們首先必須找出哪些酶是相容的，以及在創(chuàng)建復(fù)雜的生物系統(tǒng)時(shí)我們需要考慮哪些因素。自然界可能分離線粒體，核糖體和其他細(xì)胞器中的細(xì)胞過(guò)程，因?yàn)樗鼈儽仨氃诓煌沫h(huán)境中發(fā)生并且彼此不相容。我們?nèi)匀恍枰_定何時(shí)最佳時(shí)間是將生化反應(yīng)彼此分開。

合成生物學(xué)經(jīng)常因?qū)で髣?chuàng)造人造生命而受到批評(píng)。但是，你的工作是否也表明通常不是這樣?

我們不希望扮演上帝的角色。在我看來(lái)，創(chuàng)造一個(gè)人造的活細(xì)胞還有很長(zhǎng)的路要走。首先，學(xué)習(xí)重新編程個(gè)人生活過(guò)程是一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)，這是我們?cè)贛ax Planck Society的MaxSynBio網(wǎng)絡(luò)上嘗試做的事情。例如，如果我們能夠開發(fā)一個(gè)能夠修復(fù)和維持自身的生物生產(chǎn)周期，那就太棒了。與純化學(xué)系統(tǒng)相比，生物系統(tǒng)通常在更溫和的條件下工作。通過(guò)尋求重建這樣的系統(tǒng)，我們提出了新的想法，因?yàn)槲覀兛吹皆S多酶在起作用。

合成生物學(xué)在哪些領(lǐng)域特別有用?

我認(rèn)為我們甚至不能估計(jì)合成生物學(xué)的真正潛力。在這方面，我們或許應(yīng)該從化學(xué)中取得領(lǐng)導(dǎo)，這種化學(xué)在19世紀(jì)的過(guò)程中逐漸從分析學(xué)科發(fā)展成為綜合學(xué)科。這一轉(zhuǎn)變?yōu)槿碌牟牧虾退幬镤伷搅说缆?。我確信合成生物學(xué)可以取得類似的成就，但這種發(fā)展需要時(shí)間，我們必須首先了解如何構(gòu)建復(fù)雜的生物系統(tǒng)的基本原則。

還有哪些主要障礙需要克服?

生物系統(tǒng)通常非常復(fù)雜并且相互聯(lián)系很緊密，這使得復(fù)制它們并構(gòu)建新的非常困難。酶不僅是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的生物催化劑，而且還與其化學(xué)產(chǎn)品直接相關(guān)，因?yàn)樵摦a(chǎn)品控制酶。一旦產(chǎn)生足夠的物質(zhì)，就會(huì)阻礙催化劑。在這方面，信息的功能和交換往往在生物系統(tǒng)中密切相關(guān)。

生物系統(tǒng)有其他特殊特征嗎?

生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)不同，因?yàn)樗鼈兡軌蜻m應(yīng)和發(fā)展。然而，這也意味著生物系統(tǒng)并不完美。只是因?yàn)槊府a(chǎn)生錯(cuò)誤并催化二次反應(yīng)，才有機(jī)會(huì)開發(fā)新的功能。這有點(diǎn)像是錯(cuò)誤地轉(zhuǎn)動(dòng)你的自行車一次并發(fā)現(xiàn)一個(gè)捷徑回家。以完全相同的方式，酶也通過(guò)犯錯(cuò)來(lái)開發(fā)新的，改進(jìn)的途徑。

因此，為了使生物合成，我們必須了解如何將不完美，進(jìn)化和復(fù)雜性整合到生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中。需要更多的基礎(chǔ)研究來(lái)理解基本規(guī)則。