眾創年代
上周,李嘉誠基金會向香港科技大學捐款港幣5億元,創立本港首個聚焦「合成生物科技」研究平台,並將命名「李嘉誠合成生物學研究院」。
從廣義來說,合成生物學(Synthetic Biology)是指設計及構造新的生物實體(Biological entities),如細胞、酶(Enzymes)及基因線路(Genetic circuits),以重新設計現有的生物系統。
2014年,英國醫學研究委員會(Medical Research Council,MRC)科學家,合成了首個由人工遺傳物質製成的酶(artificial enzyme),上述分子能夠以類似DNA方式儲存和傳遞遺傳物質。
MRC科學家以XNAs作為構建模塊,製備了「XNAzymes」生物反應,可切割或縫合小片段RNA,就像天然的酶一樣,上述的酶未在自然界出現,完全人工製造。DNA信息傳遞就始於RNA酶的複製;生命依賴一系列化學反應,從消化食物到細胞製造DNA,以及DNA遺傳信息轉錄。上述人工的遺傳系統也像DNA一樣,可以儲存和轉錄基因信息。
人工酶合成新生命
上述發現令合成生物出現新的可能性,不一定要用天然生物分子,以製作新的材料。上述人工酶甚至可以產生新反應,大幅提高化學反應,更可令新生命體出現。
去年,美國普林斯頓大學開發人工蛋白Syn-F4,可作為細菌內的酶,取代某些基因的催化反應,證明人工蛋白可修補某些基因的天然功能,完全可能現實和可控。雖然目前取代基因數量很少,隨著更多人工蛋白出現,就可以工程方式,改善生命體的各種機能。
生命過程是由無數的生化反應所組成,沒有酶催化這些反應,即無法維持生命運作。因為天然反應一般慢緩,酶可啟動或『催化』並調節過程。人體內有無數種樣的酶系,完成人體內新陳代謝過程,但某種酶或酶不足時,就會發生代謝的紊亂。普林斯頓大學利用人工蛋白,取代了一段大腸桿菌的基因序列獲取鐵元素的蛋白。
基因港酶製技術
酶亦在工業有極大用途,包括了用於製藥,香港科學園內的基因港(GeneHarbor)就開發了首個完整且低成本酶製劑生物科技的平台,以體外酶法減低成本。酶及輔酶的催化作用,可用於精細化工、日用化工和製藥。酶法製藥可製造出具藥用功效,不含有害物質,減少殘餘。但酶反應也有其缺點:提取工藝複雜,價格昂貴,催化反應完成就失去活性,不能重複使用。
基因港就用酶於製藥和美容用品,據基因港始創人王駿教授,就是本地的合成生物學者,開發出可重複使用的酶及輔酶。
酶開發推動合成生物學,更可能是未來經濟發展核心,基因學結合物理學、電算、數學、化學、工程學和設計﹑編寫或修改微生的基因組建,可像機器般操作自如,製作出不同的化學物質。
大麻素應用廣
李嘉誠屬下維港投資,曾連續兩輪融資美國初創Demetrix(種子及A輪),以合成生物學生產基因改造過的酵母細胞發酵來生產大麻素(Cannabinoid),即大麻(Marijuana)內有效化學成份。大麻素有極高藥用、食品、美容價值。大麻素在疼痛、肌肉痙攣、青光眼、失眠、厭食、惡心、焦慮,近期也研究用於癌症治療、配合化療,甚至可殺死部分癌細胞,縮小癌細胞的體積。
外國以大麻二酚(Cannabidiol,CBD)的護膚品也大為流行,可減少發炎、控油腺、舒緩皮膚,提高皮膚保水能力。CBD也廣泛應用於食品工業,甚至在糖果、飲品、甚至竉物產品上。
據Ackrell Capital研究報告,2029年全球大麻素市場規模,可達到1000億美元。不過,大麻種植不是所有地方都合法,以合成生物方法,就可低價生產高質的大麻素,滿足上述行業需求。
Demetrix始創人為加州大學柏克萊分校Jay Keasling教授,就是合成生物學權威,精於利用及改良微生物的代謝途徑(Metabolic pathway),以生產不同的有效藥用成份;曾利用合成生物工程,低價生產青蒿素(Artemisinin)。
1972年,中國科學家屠呦呦從黄花蒿(Artemisia annua),以嶄新研究手段,提取青蒿素作新型抗瘧藥,救治數以百萬性命。
黄花蒿種植量不穩定,導致了價格極為波動。Keasling團隊獲微軟創辦人蓋茨基金贊助,尋找黄花蒿的代謝途徑,以開發出可合成青蒿素的酵母(Yeast)。Keasling發現了黄花蒿代謝途徑後,Keasling以合成基因產生了特定用途的酵母,形成可模擬黄花蒿的多個酶催化反應,再以微生物工程,大量生產高質青蒿素。
2014年,Keasling整個製程以非謀利方式授權給法國藥廠Sanofi;首批以酵母生產的青蒿素面世,2015年,屠呦呦獲諾貝爾醫學獎的同年,上述的酵素合成的青蒿素也在非洲抗瘧爆發起了作用,共使用15萬劑。
Demetrix也開發新型酵母以培養大麻素,由於與Keasling達成了上述製程的授權,更可生產一些極為稀有的大麻素,目前正開發100多種具藥用及消費價值的大麻素。
李嘉誠向大學捐款成立「合成生物科技」平台,極具遠見。本港多家大學已具備合成生物學的研究基礎。由麻省理工學院於2004年創立iGEM(International Genetically Engineered Machine)比賽,為國際合成生物學界每年一度盛事,旨在促進大學生在合成生物學交流與合作,本港大學多次在iGEM獲佳績。本港大學亦有不少合成生物學的研究,論文甚至在頂級學術期刊上登載。近年,大量創投資金進入合成生物,亦有利學術研究轉化成商業產品。