时事分析 | 创新及科技发展 | 2019-05-09 | 《经济日报》

合成生物学机遇(上):李嘉诚为何力捧?



香港首富李嘉诚透过旗下风投基金维港投资,押注于高科技企业,向来眼光独到,包括早着先机投资Facebook、Skype等企业[1],最近在美国上市的云端视像会议公司Zoom,早年也是由维港投资当上首个机构投资者。[2]

一个无宝不落的投资者,其投资动向自然备受瞩目。近年维港投资目光投向的合成生物学(Synthetic Biology),便颇值得讨论。该领域与人类福祉攸关,去年李嘉诚接受内地传媒访问时更形容,合成生物学是「极具颠覆性的技术……合成生物经济的大颠覆将覆盖各行各业,无国界。」[3]

事实上,合成生物学早已广受风险投资界关注,维港投资并非特例,业界组织Synbiobeta数据显示,2018年美国98家合成生物公司合共融资38亿美元,金额较前年翻逾一倍。[4]到底合成生物学有什么潜力?

什么是合成生物学?

根据美国20多间大学及生物科技公司组成的非牟利组织「工程生物学研究联盟(Engineering Biology Research Consortium,简称EBRC)」[5],合成生物学是指设计及构造新的生物实体(biological entities),如细胞、酶(enzymes)及基因回路(genetic circuits),又或重新设计现有的生物系统。[6]

合成生物学将工程原理应用于生物学,就像工程师基于材料的已知物理特性,排列不同的电子零件,设计和制造集成电路,以执行特定功能[7];在合成生物学中,酶、基因回路便是核心的生物零件,生物学家设计和建造这些生物零件,按特定性能标准将之模型化和调整,然后将零件组装成集成生物系统,从而解决目标问题。[8]

合成生物学造成颠覆性改变,最受瞩目的例子之一,就是令抗疟疾药物不再昂贵。以往治疗疟疾的青蒿素,需要从植物黄花蒿提炼,然而现时黄花蒿的种植量,根本难以应付全球抗疟疾药物的需求,而且以这种方法提炼,成本亦太高。[9]

美国加州大学柏克莱分校化学及生物分子工程教授Jay Keasling与他的研究团队[10],却发现只要把黄花蒿与酵母菌的几个基因植入大肠菌,便能生产一种青蒿素的前驱分子(precursor),该分子经过简单的化学步骤,就会成为青蒿素。其后团队又找到一个基因,把它与先前的基因一起送入酵母菌中,酵母菌便能生产比青蒿素更接近抗疟疾药的化学分子,生产效率提高15倍,预期会令制药成本大幅降低。[11]

应用覆盖各行各业

合成生物应用范畴广阔,目前在医药、环境、能源和食品等方面均有进展。上述的Jay Keasling教授更成立了合成生物初创企业Demetrix[12],继续研究利用酵母菌和发酵,制造原须从大自然提取的药物成分[13]──该公司也有获维港投资参与种子轮融资。[14]

Demetrix的首个项目,为作医疗用途的大麻素的商业生产,Keasling于今年2月发表论文,指成功将控制大麻植物代谢过程的已知基因序列,转移到酵母菌中,经过一系列的化学反应,最终合成出两款最常见的大麻素,其成本估计相等于或低于透过种植大麻提取大麻素,此技术更可制造出罕见的大麻素。[15]

另一间设计和制造合成生物药物的初创企业Synlogic,则研发了一款可治疗罕见遗传病苯丙酮尿症(phenylketonuria)的药物。[16]该款药物去年已获得美国食物及药物管理局(FDA)的快速审查认定,进入成人人体临床测试阶段。[17]

此外,美国麻省理工学院(MIT)的合成生物学及软性活性材料研究小组联手,研发出一款可植入活细胞的生物相容水凝胶。该款活细胞经过基因编辑后,与水凝胶的某些化学物质接触时,便会发光,可用于探测环境中的毒素或皮肤疾病。[18]

合成生物 Vs 基因改造

看毕以上例子,读者或对合成生物学及基因改造的分别有所疑惑。其实两者的差异,重点在于设计规模。其中,基因改造主要透过微细的DNA修改,包括移除和插入不同的基因,从而产生巨大影响。[19]例如,有外国研究人员为研究猫爱滋病毒,利用基因改造技术,将从水母中分离的绿色荧光蛋白,插入猫的基因组中来培育猫胚胎。[20]

至于合成生物学,则是以大规模设计、建造全新基因组为目标,当中可能修改数以千计的DNA 结构成分碱基对(base pair)[21],并运用工程学概念设计测试。[22]合成生物学先驱J. Craig Venter创立的研究所,不断研究以合成生物技术控制能产生物燃料和化学物质的藻类,冀最终能创造新藻类菌株。[23]有合成生物学家认为,透过合成生物学组装而成的新生物系统,不能从自然演化而来,应被视为新物种,甚至应被分类为一个独立的生命领域。[24]

基因模组化 「砌积木」快速建生物系统

合成生物学今天能促进生物学在不同范畴的发展,可说是受惠于合成生物学家Tom Knight将工程思维应用于生物学,其提出将DNA片段连接的方法标准化,即每次皆使用相同方式组装生物零件,让DNA片段像砌积木般,一个片段接一个片段连续组装下去,组装成为生物设备,甚或成为一个生物系统,形成以生物零件为基础的工程框架。[25]

Tom Knight又创办了一年一度的国际生物合成学竞赛iGEM(international Genetically Engineered Machine),并将竞赛中各团队使用过的生物零件与使用经验,汇整成生物零件库,让全球科研团队共享。换句话说,研究团队在组装生物系统时,无需每一步「盲舂舂」进行无数试验,只要按特定方法组装,便会达到预期的效果,大大减省研究的时间。[26]

更环保及可持续发展?

研究团队在实验室中培育出全新的生物系统,对地球环境可能有好处,如Demetrix宣称,他们无需种植植物,已可生产该植物中具药用价值的成分,做法更有效率及环保。[27]另外,为满足人类吃肉的需求,同时减少饲养牲畜所排放的大量温室气体,多间人造肉初创企业开发了由细胞培育的肉类,认为取代饲养畜牲是更可持续的做法。[28]

合成生物学对改善人类福祉有莫大潜力,不过也不宜过分吹捧。牛津大学一项新研究便质疑,以细胞培育肉类是否有助应对气候变化。该研究指,这些企业仍在实验室小规模培育的阶段,亦未有公开人造肉生产过程的实质数据,估计人造肉短期内有帮助,但长期未必可减少温室气体排放。[29]

潜在危机:食用安全、生化武器

合成生物学的争议又何止这些?其产物的食用安全同样惹消费者关注。人造肉企业Impossible Foods制造的植物汉堡肉,所含有的关键成份「大豆豆血红蛋白」,便曾成为争议点,FDA一度亦对其安全性表示担忧[30],直至去年得到更多该公司提交的研究文件,FDA才表示对大豆豆血红蛋白制剂在预期使用条件下,用于类似碎牛肉的产品没有疑问(have no questions),但若作为颜色添加剂,则须再次申请审批。[31]面对消费者近年愈来愈多的忧虑,美国政府两大食物安全监管部门FDA及食品安全和检验署,3月时落实共同监管用家畜和家禽细胞培育食物的生产。[32]

在国家层面,合成生物技术更可能被不法分子利用,制造生化武器。美国国家学院(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine)去年发表《合成生物学时代的生物防御(Biodefense in the Age of Synthetic Biology)》报告,指出合成生物学带来多种潜在威胁,包括重建已知的可致病病毒、使细菌和病毒更具杀伤力,以及通过合成制造有害的生物化学物等。报告提醒当局监察合成生物的发展和制订应对策略。[33]

在欧洲,欧盟沿用监管基因改造的法例,监管合成生物的研究和产品,但相关法例有不少模糊的地方,如对基因改造生物的定义,指明「其遗传物质不会以自然发生的方式改变」,但部分基因编辑技术利用天然存在的基因修饰和修复系统,令定义是否适用于基因编辑技术的产品出现争议。[34]不过,欧洲法院于去年中裁定,基因编辑农作物的法律地位与基因改造生物相同,需作广泛风险评估,才可种植或出售[35],可以预计欧盟在监管合成生物发展方面不会手软。

合成生物学或会为世界带来翻天覆地的改变,但改变是好是坏,全看人们怎样应用技术。香港若要在合成生物领域有所作为,除了提升研发能力,制度能否赶得上技术应用的一日千里,也是关键。

1 Shu-Ching Jean Chen, “Li Ka-shing And Horizons Ventures: The Making of A Venture Powerhouse,” The Forbes, March 12, 2014, https://www.forbes.com/sites/shuchingjeanchen/2014/03/12/li-ka-shing-and-horizons-ventures-the-making-of-a-venture-capital-powerhouse/#6b8df47631b0.
2 「李嘉诚注资 Zoom首日上市曾飙逾83%」,最自信报财经新闻网站: https://www2.hkej.com/instantnews/international/article/2115449/李嘉诚注资+Zoom首日上市曾飙逾83%25,最后更新日期2019年4月19日。
3 王端、王烁,〈李嘉诚:着眼未来〉,《财新周刊》,2018年3月26日。
4 Calvin Schmidt, “These 98 synthetic biology companies raised $3.8 billion in 2018,” Synbiobeta, https://synbiobeta.com/these-98-synthetic-biology-companies-raised-3-8-billion-in-2018/, last modified December 19, 2018.
5 “About us,” Engineering Biology Research Consortium, https://www.ebrc.org/about, accessed February 26, 2019.
6 “What is synthetic biology?,” Engineering Biology Research Consortium, https://www.ebrc.org/what-is-synbio, accessed February 26, 2019.
7 “What is synthetic biology?,” Engineering Biology Research Consortium, https://www.ebrc.org/what-is-synbio, accessed February 26, 2019;「被动元件」。取自Renesas网站:https://www.renesas.com/tw/zh/support/technical-resources/engineer-school-tw/electronic-circuits-01-passive-elements-tw.html#coils,查询日期2019年2月26日。
8 同6。
9 王道还,「以酵母菌生产鸦片」。取自科技大观园网站:https://scitechvista.nat.gov.tw/c/GNyt.htm,最后更新日期2015年9月1日。
10 “Jay D. Keasling,” UC Berkeley, https://chemistry.berkeley.edu/faculty/cbe/keasling, accessed February 28, 2019.
11王道还,「以酵母菌生产鸦片」。取自科技大观园网站:https://scitechvista.nat.gov.tw/c/GNyt.htm,最后更新日期2015年9月1日。;杨志贤,「合成生物学专题」。取自Investigator网站:https://investigatortw.wordpress.com/2013/09/11/合成生物学专题/,最后更新日期2013年9月11日。
12 “Our founders,” Demetrix, https://demetrixbio.com/founders, accessed February 28, 2019.
13 “About us,” Demetrix, https://demetrixbio.com/about-us-4, accessed April 23, 2019.
14 周家诚,「【美国直击】减少大规模种植 Demetrix提炼植物要素」。取自苹果日报即时新闻网站:https://hk.finance.appledaily.com/finance/realtime/article/20181210/59011610,最后更新日期2018年12月10日。
15 Sophie Bushwick, “Rising High: GM Yeast Generates Known and Novel Marijuana Compounds,” Scientific American, February 27, 2019, https://www.scientificamerican.com/article/rising-high-gm-yeast-generates-known-and-novel-marijuana-compounds/.
16 “Synthetic Biology,” Synlogic, https://www.synlogictx.com/synthetic-biology/, accessed February 28, 2019; “Pipeline + Programs”, Synlogic, https://www.synlogictx.com/pipeline-programs/, accessed February 28, 2019.
17 Diana Kwon, “New Treatments for Phenylketonuria Aim to Loosen Reins on Strict Diet,” The Scientist, May 29, 2018, https://www.the-scientist.com/news-opinion/new-treatments-for-phenylketonuria-aim-to-loosen-reins-on-strict-diet-36699.
18 Jennifer Chu, “Living sensors at your fingertips,” MIT News, http://news.mit.edu/2017/living-sensors-your-fingertips-0215, last modified February 15, 2017.
19 「什么是合成生物学? — 当科学家遇上工程师」。取自明日科学网站:https://tomorrowsci.com/science/什么是-合成生物学-当-科学家-遇上-工程师/,最后更新日期2017年7月12日。
20 Camilo Rey, “Synthetic Biology Vs. Genetic Engineering.,” Medium, https://medium.com/@ReyCamilo/synthetic-biology-vs-genetic-engineering-15c59ccd83b, last modified March 9, 2017.
21 注:DNA结构由许多核苷酸连成长螺旋状,而核苷酸是由碱基、去氧核糖及磷酸三种成份所构成,碱基可分为四类,而DNA上碱基排列的次序,即称为DNA的序列。资料来源:「DNA的结构」。取自生物科技面面观网站:http://biotech.nstm.gov.tw/LifeScienceConcept/SpiralC/Spiral03.htm,查询日期2019年4月23日。
22 同19。
23 “Scientists at the J. Craig Venter Institute Publish Paper Outlining Efficient Synthetic Biology Methods to Genetically Engineer Microalgae,” J. Craig Venter Institute, https://www.jcvi.org/scientists-j-craig-venter-institute-publish-paper-outlining-efficient-synthetic-biology-methods, last modified April 21, 2015; “Improving Algal Genetics for Biofuels and Biological Chemical Production,” J. Craig Venter Institute, https://www.jcvi.org/improving-algal-genetics-biofuels-and-biological-chemical-production, accessed April 29, 2019.
24 Camilo Rey, “Synthetic Biology Vs. Genetic Engineering.,” Medium, https://medium.com/@ReyCamilo/synthetic-biology-vs-genetic-engineering-15c59ccd83b, last modified March 9, 2017.
25 杨志贤,「合成生物学专题」。取自Investigator网站:https://investigatortw.wordpress.com/2013/09/11/合成生物学专题/,最后更新日期2013年9月11日。
26 「合成生物学:基因「混搭」掀起的新革命! ──《人类大未来》」。取自泛科学网站:https://pansci.asia/archives/149977,最后更新日期2018年11月16日;杨志贤,「合成生物学专题」。取自Investigator网站:https://investigatortw.wordpress.com/2013/09/11/合成生物学专题/,最后更新日期2013年9月11日。
27 同14。
28 Chase Purdy, “Why we don’t yet know if cell-cultured meat will actually fight climate change,” Quartz, https://qz.com/1553875/is-cell-cultured-meat-environmentally-friendly/, last modified February 20,2019.
29 同28。
30 Stephanie Strom, “Impossible Burger’s ‘Secret Sauce’ Highlights Challenges of Food Tech,” The New York Times, August 8, 2017, https://www.nytimes.com/2017/08/08/business/impossible-burger-food-meat.html?rref=collection%2Ftimestopic%2FFood%20and%20Drug%20Administration&action=click&contentCollection=timestopics&region=stream&module=stream_unit&version=latest&contentPlacement=1&pgtype=collection&_r=0.
31 “Re: GRAS Notice No. GRN 000737,” U.S. Food & Drug Administration, https://www.fda.gov/downloads/Food/IngredientsPackagingLabeling/GRAS/NoticeInventory/UCM620362.pdf, last modified July 23, 2018.
32 “USDA and FDA Announce a Formal Agreement to Regulate Cell-Cultured Food Products from Cell Lines of Livestock and Poultry,” U.S. Department of Agriculture, https://www.usda.gov/media/press-releases/2019/03/07/usda-and-fda-announce-formal-agreement-regulate-cell-cultured-food, last modified March 7, 2019.
33 “Biodefense in the Age of Synthetic Biology,” National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, https://www.nap.edu/read/24890/chapter/1, accessed April 23, 2019, p.125.
34 “Regulation of Synthetic Biology,” House of Parliament, POSTnote 497, May 2015.
35 Andrew J. Wight, “Strict EU ruling on gene-edited crops squeezes science,” Nature, October 25, 2018, https://www.nature.com/articles/d41586-018-07166-7.