专访傅雄飞丨合成生物技术为复杂生命系统提供更多研究手段

物理学中的熵增原理告诉我们，一个孤立系统的熵总是在逐渐增大的。

也就是说在任何一个不与外界交流的事物，必然会从有序状态转变为无序状态，从确定的、有规则的状态，转变为不规律的、混沌的状态。

熵增原理揭示了宇宙万物演化的终极规律，但生命则生生不息地将 “无序” 变得 “有序”。薛定谔在《生命是什么》中说过， “人活着就是在对抗熵增定律，生命以负熵为生。”

所以当生命科学遇到物理学时，会碰撞出什么火花？

生辉 SynBio 邀请到了中国科学院深圳先进研究院合成生物学研究所 (以下简称 “合成所”) 定量合成生物学研究中心的傅雄飞研究员，来与我们分享他在物理学和合成生物学的交叉研究。

傅雄飞本科毕业于浙江大学物理学系，在香港大学获得了物理学博士学位。后赴耶鲁大学分子、细胞和发育生物学系进行博士后培训，研究细菌群体趋化运动的协调机制。2016 年，他来到合成所建立独立实验室开展研究。

实验室主要研究方向是利用定量合成生物学方法，通过数理模型和定量实验相结合的研究手段，研究生物系统中的基本问题，包括生物空间扩张体系的有序结构形成机制的研究。

傅雄飞告诉生辉 SynBio， 合成生物学的终极目标是在理解生命系统原理的基础上，设计和制造一个生命系统 ，这一过程并不是简单地将核酸、蛋白等生物组分组合在一起，而是需要遵循一定的设计原理，使得各个部件组合成一个整体之后，产生单个部件所不具备的功能，也可称为生物功能的 “ 涌现 ”，但目前生命系统的设计原理还不完全清楚。

这也正是未来合成生物学发展需要解决的问题。在今年 9 月，北京香山召开的以 “定量合成生物学” 为主题的学术讨论会上 (香山科学会议第 S64 次学术讨论会)，40 余位专家学者围绕合成生物学的基础理论研究、技术创新和工程应用以及我国在合成生物学领域的发展战略，展开了深入而具有建设性的研讨。

中国科学院赵国屏院士和中科院深圳先进院合成生物学研究所刘陈立所长在近日发文（点击直达： 我国迎来定量合成生物学发展重要契机 ）总结，提出要建设理论 (理性设计)、技术 (合成能力)、工程 (自动化平台) 三者相辅相成的合成生物学体系，进而以此推动合成生物学研究由定性、描述性、局部性的研究，向定量、理论化和整体化的变革。

傅雄飞表示，“会议提出的核心科学问题就是如何去理解生命功能的涌现，理解生命系统运行的原理才能做到真正工程化的理性设计，而如何研究生命系统其实和研究物理科学中的复杂系统是很相近的。”

2021 年的物理学诺贝尔奖颁给了真锅淑郎、克劳斯?哈塞尔曼因和乔治?帕里西，获奖理由分别是 “对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖” 和 “发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动之间的相互作用”，这两项研究为理解地球气候以及宇宙两个复杂系统提供了理论基础。

复杂系统充满了 “随机” 和 “无序”，生命系统亦是如此，傅雄飞表示，“生命系统可能是自然界存在的系统中最复杂的系统之一，而许多统计物理学背景的研究人员都在逐渐转向研究生命系统， 合成生物技术能够为复杂生命系统的研究提供更多手段。 ”

近日，傅雄飞团队在 eLife 杂志上发表文章，揭示了细菌通过有序队列实现集群迁移的协调机制。

如同宏观世界中的东非动物大迁徙一般，在微观世界，微生物也会发生群体迁移的现象，细菌可以转动身上的鞭毛，在液体中游动，在趋化物的吸引下，细菌可以让自己在各个方向随机游动的同时慢慢靠近趋化物浓度较高的方向。

不同的细菌个体对于趋化物的敏感度各不相同，所以迁移的速度也不同。 当细菌组成一个群体迁移的时候，对趋化物浓度不敏感的细菌虽然处在群体的尾端，但是却没有被落下，而是紧紧地跟随着敏感的细菌，形成了一个紧凑的有序队列，以同样的速度***同运动。

之前，傅雄飞实验室与耶鲁大学 Thierry Emonet 实验室合作研究发现，这样的有序队列对于细菌的集群迁移来说至关重要。可是，细菌个体运动总是在不断改变游动方向，这样的有序群体行进队列是如何从无序的个体随机运动中 “ 涌现 ” 出来的呢？

为了回答这个问题，研究人员对每一个细菌的运动轨迹进行了追踪与观测，结果发现细菌个体在种群中做往复运动，并与趋化物浓度有关，即队列后方趋化物浓度低，细菌受到前方趋化物更大的吸引力，向前游动，当细菌到达前端时，因为各处的趋化物浓度都差不多，所以失去了继续前进的动力。

也正是因为这个机制，不同行动能力的个体才能在同一个群体中协调地***存，以同样的平均速率向前迁移。进一步地，研究人员利用合成生物学手段对细菌的敏感度进行了人工调控，成功地验证了协调机制的作用。这一发现不仅可以 解释许多生命体的群体迁移行为，还对人类 社会 更复杂的群体协作提供了参考。

飞速发展二十余年，合成生物学也正在经历一个从 “无序” 到 “有序” 的过程，不仅体现在科研的研究方向上，还体现在政策布局、资本市场等诸多方面，赵国屏院士和刘陈立所长的文章中也提出，“为了推动合成生物学的应用研究，应加强学科交叉与产业配套”，“在解决好底层基础理论构建以及技术概念验证之后，加快产业化进程，在市场与资本的双重推动下，加速我国技术壁垒的形成，实现我国合成生物技术与产品的产业化应用。”

傅雄飞表示，我国尚处于合成生物产业早期，但已呈现出迅猛发展趋势。目前，我国合成生物相关产业主要集中在 DNA 合成、生物基材料、氨基酸与维生素、工业酶制剂 等应用领域，涌现出一批以金斯瑞生物、凯赛生物、华恒生物等为代表的细分赛道新兴企业。

在解决好底层基础理论构建以及技术概念验证之后，我国亟需加快推产业化进程。依托自动化设施平台及 “楼上楼下” 等创新模式，“双环耦合” 驱动 探索 “全过程创新生态链”。在市场与资本的双重推动下，加速我国技术壁垒的形成，塑造反 “卡脖子”、不被 “卡脖子” 的能力。

因此， 我国产、学、研、政应该一体化发展， 协调参与国家战略 科技 力量***建；调动多主体以多形式参与合成生物学国家战略 科技 力量布局；积极推动国际发声，参与国际合成生物学规则及标准制定，展示中国合成生物学 科技 力量，在政策的扶持与保障下，***同促进合成生物学 科技 、产业、教育 健康 良性一体化发展，最终回馈 社会 、反哺我国 社会 经济。

傅雄飞表示，对此 ，先进院的科研布局逻辑是需求牵引与学科交叉。 一方面，坚持需求牵引，即面向国家重大需求，面向经济主战场，根据国家和深圳发展不同时期的现实需求而进行调整；另一方面，坚持学科交叉，学科交叉是科研常态，设立交叉学科秉持 “问题导向”。这种科研布局与传统的一级学科、二级学科很不一样，是多个学科交叉，集成创新。由于现代科学的发展，学科交叉的趋势越来越明显，单靠一个人的力量是无法解决重大科学问题的，多需多学科***同攻关，而合成生物学正式这样一个交叉融合的前沿学科。

“ 先进院合成所在凝聚人才团队基础上，逐渐打造 “科研 - 转化 - 产业” 的全链条企业培育模式。 一批学成归国的青年科学家，来自哈佛、耶鲁、杜克等世界最顶尖高校的前沿 科技 人才，聚集在合成所的平台上，壮大了我国合成生物学研究力量。”

目前，合成所建设整体迈向一个正向 健康 良性运作的轨道上，已初步形成 “科研 + 设施 + 学院 + 产业 + 资本” 模式，并在深圳形成集聚效应。深圳已成为国家乃至全球合成生物学核心重镇，发展合成生物产业具备先天优势。

写在最后

在合成所的布局中，一个重要环节是今年在国内首次举办的合成生物学竞赛（以下简称 “竞赛”），竞赛汇聚顶级联合发起方，推倒产业与学术之间的 “高墙”，旨在集结代表现在和未来的才智，打造中国合成生物顶级竞赛和创新孵化平台。创新大赛报名目前已经结束团队创建，进入实验及准备期。

傅雄飞也是本次竞赛的评委，谈及本次竞赛，他认为比赛只是一个起点，整个赛程可能很短，所以更要做好比赛结束之后的科学研究，要做成一个更加完整的项目，这对帮助参赛学生走上科研道路很有帮助；此外竞赛还设置了创业大赛，也是为了推动科研成果的转化。目前竞赛创业大赛报名正在进行，截止时间为 2022 年 1 月 18 日，有志于参与创业大赛的团队请及时报名。

他也期待有一些多学科交叉的项目出现，比如计算机、数学、法律和哲学等，希望能出现更多新颖的想法，推动合成生物学的创新。