在科技飛速發(fā)展的當(dāng)下，合成生物學(xué)作為一門新興的交叉學(xué)科，正逐漸嶄露頭角，引發(fā)了科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界乃至社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，它融合了生物學(xué)、工程學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科的理論與技術(shù)，旨在通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物系統(tǒng)或?qū)ΜF(xiàn)有生物系統(tǒng)進(jìn)行重新編程，使其具備特定的功能，從而為解決人類面臨的諸多重大挑戰(zhàn)提供創(chuàng)新的解決方案。

一、合成生物學(xué)行業(yè)概述?

1、定義與概念?

根據(jù)北京研精畢智信息咨詢發(fā)布的調(diào)研報(bào)告指出，合成生物學(xué)是一門新興的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，它融合了生物學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科的原理和方法 ，旨在通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物系統(tǒng)，或?qū)σ延械奶烊簧锵到y(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和改造，使其具備特定的功能，以滿足人類在醫(yī)藥、能源、材料、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等諸多領(lǐng)域的需求。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，合成生物學(xué)就像是一場(chǎng)生命的 “設(shè)計(jì)與建造游戲”，科學(xué)家們?nèi)缤?“生命工程師”，運(yùn)用各種技術(shù)手段，對(duì)生物的遺傳信息進(jìn)行精準(zhǔn)操作，創(chuàng)造出自然界原本不存在的生物系統(tǒng)，或是優(yōu)化現(xiàn)有的生物系統(tǒng)，使其能夠高效地執(zhí)行特定任務(wù)。?

從本質(zhì)上講，合成生物學(xué)是對(duì)生命科學(xué)的一種創(chuàng)新性拓展。傳統(tǒng)生物學(xué)主要側(cè)重于對(duì)自然生命現(xiàn)象的觀察、描述和解析，探索生命活動(dòng)的基本規(guī)律；而合成生物學(xué)則反其道而行之，它從工程學(xué)的視角出發(fā)，以 “設(shè)計(jì) - 構(gòu)建 -?

二、合成生物學(xué)行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新成果?

1、核心技術(shù)?

2.1.1 基因編輯技術(shù)?

基因編輯技術(shù)是合成生物學(xué)的關(guān)鍵底層技術(shù)之一，其中 CRISPR - Cas 系統(tǒng)以其操作簡(jiǎn)便、效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)，成為目前應(yīng)用最為廣泛的基因編輯工具。CRISPR 是 “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” 的縮寫(xiě)，意為成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列，而 Cas 則是與之相關(guān)的蛋白（CRISPR - associated proteins）。該系統(tǒng)最初源于細(xì)菌的免疫系統(tǒng)，當(dāng)細(xì)菌受到噬菌體等外來(lái)病毒入侵時(shí)，會(huì)將病毒的部分 DNA 片段整合到自身基因組的 CRISPR 區(qū)域，形成間隔序列（spacer）。在后續(xù)遇到相同病毒入侵時(shí)，CRISPR 轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的 RNA（crRNA）會(huì)與 Cas 蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，憑借 crRNA 與病毒 DNA 的互補(bǔ)配對(duì)，引導(dǎo) Cas 蛋白精準(zhǔn)切割入侵病毒的 DNA，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)病毒的免疫防御。?

在合成生物學(xué)的實(shí)際應(yīng)用中，科學(xué)家們巧妙地利用 CRISPR - Cas 系統(tǒng)的這一特性，對(duì)各種生物的基因組進(jìn)行精確編輯。例如，在青蒿素的合成研究中，傳統(tǒng)的青蒿素提取方法存在產(chǎn)量低、成本高、受植物生長(zhǎng)條件限制等問(wèn)題。通過(guò) CRISPR - Cas 技術(shù)，研究人員能夠?qū)η噍锏幕蜻M(jìn)行精準(zhǔn)改造，優(yōu)化青蒿素的合成代謝途徑，提高相關(guān)酶的表達(dá)量和活性，從而顯著提高青蒿素的產(chǎn)量。具體來(lái)說(shuō)，他們可以通過(guò)基因編輯敲除一些抑制青蒿素合成的基因，或者增強(qiáng)那些促進(jìn)青蒿素合成的關(guān)鍵基因的表達(dá)，使得青蒿細(xì)胞能夠更高效地合成青蒿素。這不僅為青蒿素的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)提供了可能，也降低了其生產(chǎn)成本，提高了藥物的可及性，對(duì)于全球瘧疾防治工作具有重要意義。?

除了在藥物合成領(lǐng)域的應(yīng)用，CRISPR - Cas 技術(shù)在基因療法中也展現(xiàn)出了巨大的潛力。許多遺傳疾病是由基因突變引起的，如鐮狀細(xì)胞貧血、囊性纖維化等。CRISPR - Cas 技術(shù)能夠精確地識(shí)別并修復(fù)這些突變基因，為治療這些遺傳性疾病帶來(lái)了新的希望。例如，在鐮狀細(xì)胞貧血的治療研究中，科學(xué)家們利用 CRISPR - Cas 系統(tǒng)對(duì)患者造血干細(xì)胞中的致病基因進(jìn)行編輯，使其恢復(fù)正常功能。經(jīng)過(guò)基因編輯后的造血干細(xì)胞能夠分化產(chǎn)生正常的紅細(xì)胞，從而有望從根本上治愈鐮狀細(xì)胞貧血。目前，相關(guān)的臨床試驗(yàn)正在積極開(kāi)展中，雖然仍面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn)和倫理問(wèn)題，但已經(jīng)取得了一些令人鼓舞的階段性成果。?

然而，CRISPR - Cas 技術(shù)也并非完美無(wú)缺。其面臨的主要挑戰(zhàn)之一是脫靶效應(yīng)，即 Cas 蛋白可能會(huì)在非目標(biāo)位點(diǎn)進(jìn)行切割，導(dǎo)致基因組的意外突變，這可能會(huì)引發(fā)一系列未知的生物學(xué)后果。為了解決這一問(wèn)題，科研人員正在不斷改進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)新的 Cas 蛋白變體或優(yōu)化基因編輯策略，以提高 CRISPR - Cas 系統(tǒng)的靶向特異性，降低脫靶風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，基因編輯技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中還涉及到復(fù)雜的倫理和社會(huì)問(wèn)題，如人類生殖系基因編輯可能引發(fā)的遺傳多樣性改變、設(shè)計(jì)嬰兒等倫理爭(zhēng)議，需要全球科學(xué)界、政府和社會(huì)各界共同探討，制定合理的倫理準(zhǔn)則和監(jiān)管政策，確?；蚓庉嫾夹g(shù)能夠安全、合理地應(yīng)用于造福人類。?

2.1.2 DNA 合成技術(shù)?

DNA 合成技術(shù)是合成生物學(xué)的另一項(xiàng)核心支撐技術(shù)，它是指在體外通過(guò)化學(xué)或酶促等方法，按照預(yù)定的序列合成 DNA 分子的技術(shù)。DNA 合成技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了多個(gè)階段，從最初的手工合成寡核苷酸片段，到后來(lái)的自動(dòng)化固相亞磷酰胺三酯法合成，再到如今不斷涌現(xiàn)的新型合成技術(shù)，其合成效率、準(zhǔn)確性、成本和長(zhǎng)度等關(guān)鍵指標(biāo)都得到了顯著改善。?

早期的 DNA 合成主要采用化學(xué)合成方法，如固相亞磷酰胺三酯法。該方法以固相載體為基礎(chǔ)，通過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)逐步將核苷酸單體連接起來(lái)，形成目標(biāo) DNA 序列。具體過(guò)程包括去保護(hù)、偶聯(lián)、加帽和氧化等步驟，在每一輪反應(yīng)中，將一個(gè)帶有保護(hù)基團(tuán)的核苷酸添加到正在合成的 DNA 鏈上，經(jīng)過(guò)反復(fù)循環(huán)，最終合成出所需的 DNA 片段。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是合成準(zhǔn)確性較高，能夠滿足大多數(shù)常規(guī)實(shí)驗(yàn)對(duì) DNA 片段的需求，目前仍然是商業(yè)化 DNA 合成的主要技術(shù)之一。然而，它也存在一些局限性，例如隨著合成鏈長(zhǎng)度的增加，合成效率會(huì)逐漸降低，合成成本會(huì)大幅上升，且合成過(guò)程中需要使用大量有毒化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境造成一定污染，合成的 DNA 片段長(zhǎng)度通常也受到限制，一般不超過(guò) 200 個(gè)核苷酸。?

為了克服傳統(tǒng)化學(xué)合成方法的局限性，近年來(lái)出現(xiàn)了多種新型 DNA 合成技術(shù)，其中酶促 DNA 合成技術(shù)備受關(guān)注。酶促合成法利用生物酶的催化作用，在溫和的條件下將核苷酸單體聚合形成 DNA 鏈。與化學(xué)合成法相比，酶促合成法具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，它的反應(yīng)條件溫和，對(duì) DNA 的損傷較小，有助于提高合成的準(zhǔn)確性；其次，酶促反應(yīng)的特異性高，能夠減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng) DNA 片段的合成；此外，酶促合成過(guò)程無(wú)需使用有毒化學(xué)試劑，更加環(huán)保。目前，酶促 DNA 合成技術(shù)仍處于不斷發(fā)展和完善階段，雖然在合成效率和成本方面還無(wú)法與傳統(tǒng)化學(xué)合成法完全競(jìng)爭(zhēng)，但已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的潛力，隨著技術(shù)的進(jìn)一步突破，有望成為未來(lái) DNA 合成的主流技術(shù)。?

DNA 合成技術(shù)在合成生物學(xué)中發(fā)揮著不可或缺的作用，特別是在構(gòu)建人工基因線路和基因組方面。通過(guò) DNA 合成技術(shù)，科學(xué)家們能夠根據(jù)自己的設(shè)計(jì)，精確地合成各種基因片段和調(diào)控元件，然后將它們組裝成具有特定功能的基因線路。這些基因線路可以被導(dǎo)入到宿主細(xì)胞中，賦予細(xì)胞新的功能，如生產(chǎn)特定的生物制品、響應(yīng)環(huán)境信號(hào)等。例如，在生物燃料的生產(chǎn)研究中，研究人員可以設(shè)計(jì)并合成一系列基因線路，將其導(dǎo)入微生物細(xì)胞中，使微生物能夠高效地將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料，如乙醇、丁醇等。這種通過(guò)人工設(shè)計(jì)和合成基因線路來(lái)改造生物代謝途徑的方法，為生物燃料的可持續(xù)生產(chǎn)提供了新的途徑。?

在基因組層面，DNA 合成技術(shù)使得從頭合成基因組成為可能。2010 年，美國(guó)科學(xué)家 Craig Venter 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功合成了人工蕈狀支原體基因組，并將其移植到去除原有遺傳物質(zhì)的山羊支原體細(xì)胞中，創(chuàng)造出了世界上首個(gè) “人造生命”—— 辛西婭（Synthia）。這一里程碑式的成果展示了 DNA 合成技術(shù)在合成生物學(xué)領(lǐng)域的巨大潛力，也為未來(lái)構(gòu)建全新的生物系統(tǒng)、探索生命的本質(zhì)和規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。此后，科學(xué)家們?cè)诨蚪M合成方面不斷取得進(jìn)展，如酵母基因組合成計(jì)劃（Sc2.0）旨在合成完整的酵母基因組，通過(guò)對(duì)酵母基因組的重新設(shè)計(jì)和合成，深入研究基因的功能和相互作用，以及基因組的進(jìn)化和調(diào)控機(jī)制，這對(duì)于推動(dòng)生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。?

2.1.3 生物元件與基因線路?

生物元件是構(gòu)成復(fù)雜生命系統(tǒng)的最基本、功能最簡(jiǎn)單的單元，在遺傳系統(tǒng)中，它通常是指具有特定功能的氨基酸或核苷酸序列。這些生物元件可以在大規(guī)模的設(shè)計(jì)中與其他元件進(jìn)一步組合，形成具有特定生物學(xué)功能的生物學(xué)裝置。常見(jiàn)的生物元件包括調(diào)控元件（如啟動(dòng)子、增強(qiáng)子、阻遏子等，它們能夠調(diào)節(jié)基因的表達(dá)水平）、催化元件（如各種酶，能夠催化生物化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行）、結(jié)構(gòu)元件（參與構(gòu)成細(xì)胞的各種結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞膜、細(xì)胞壁等）以及操控和感應(yīng)元件（能夠感知環(huán)境信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的生物學(xué)響應(yīng)，如受體蛋白等）。這些生物元件具有高度的特異性和多樣性，它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)相互協(xié)作，共同維持著生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。?

基因線路則是由多個(gè)生物元件組成的遺傳裝置，它借鑒了電子電路的邏輯控制原理，通過(guò)對(duì)基因表達(dá)的精確調(diào)控，實(shí)現(xiàn)特定的生物學(xué)功能?；蚓€路可以被看作是生命體對(duì)自身生命過(guò)程控制的動(dòng)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)，它由啟動(dòng)子、阻遏子、增強(qiáng)子等調(diào)節(jié)元件以及被調(diào)節(jié)基因構(gòu)成。人工基因線路通過(guò)遺傳線路工程合成，主要分為基本型和組合型兩類?；拘腿斯せ蚓€路依據(jù)生物學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建基因開(kāi)關(guān)、放大器、振蕩器、邏輯門、計(jì)數(shù)器等合成器件，這些基本型基因線路就像是電子電路中的基本元件，具有特定的功能和特性。例如，基因開(kāi)關(guān)可以控制基因的開(kāi)啟和關(guān)閉，就像電路中的開(kāi)關(guān)控制電流的通斷一樣；振蕩器能夠產(chǎn)生周期性的基因表達(dá)變化，類似于電子電路中的振蕩器產(chǎn)生周期性的電信號(hào)。組合型人工基因線路則是以基本型人工基因線路作為基本元件搭建而成，用于模擬高級(jí)生命過(guò)程的遺傳裝置，它能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的生物學(xué)功能，如細(xì)胞的分化、發(fā)育以及對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性響應(yīng)等。?

在合成生物學(xué)中，生物元件和基因線路的應(yīng)用十分廣泛。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和組合生物元件，構(gòu)建具有特定功能的基因線路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物代謝途徑的精準(zhǔn)調(diào)控，從而提高生物制品的生產(chǎn)效率。例如，在生產(chǎn)某些高附加值的生物活性物質(zhì)時(shí)，通過(guò)構(gòu)建基因線路，調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，優(yōu)化生物合成途徑，可以使細(xì)胞大量合成目標(biāo)產(chǎn)物。以維生素 C 的生產(chǎn)為例，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法成本較高且工藝復(fù)雜，利用合成生物學(xué)技術(shù)，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了一種基因線路，將其導(dǎo)入大腸桿菌等微生物中，通過(guò)調(diào)控微生物體內(nèi)的代謝途徑，使微生物能夠高效地合成維生素 C 前體，再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)轉(zhuǎn)化，即可得到高純度的維生素 C。這種方法不僅降低了生產(chǎn)成本，還提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。?

生物元件和基因線路還可以用于構(gòu)建生物傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中各種物質(zhì)的快速、靈敏檢測(cè)。例如，利用特定的生物元件設(shè)計(jì)一種對(duì)重金屬離子敏感的基因線路，將其導(dǎo)入微生物細(xì)胞中。當(dāng)環(huán)境中存在重金屬離子時(shí)，生物元件會(huì)感知到這種信號(hào)，并通過(guò)基因線路的調(diào)控，使微生物細(xì)胞產(chǎn)生特定的熒光或其他可檢測(cè)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的檢測(cè)。這種基于生物元件和基因線路的生物傳感器具有檢測(cè)靈敏度高、特異性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。?

2、技術(shù)創(chuàng)新成果?

合成生物學(xué)在近年來(lái)取得了一系列令人矚目的技術(shù)創(chuàng)新成果，這些成果涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域，展現(xiàn)了合成生物學(xué)的巨大潛力和應(yīng)用價(jià)值。?

在基因組層面，人造染色體的成功構(gòu)建是合成生物學(xué)的一項(xiàng)重大突破。2017 年，美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)等多國(guó)研究人員共同參與的酵母基因組合成計(jì)劃（Sc2.0）取得重要成果，他們成功合成了釀酒酵母的 6 條染色體，這是人類首次實(shí)現(xiàn)對(duì)真核生物染色體的從頭合成。合成酵母染色體的過(guò)程并非簡(jiǎn)單地復(fù)制天然染色體，而是對(duì)其進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，去除了一些冗余序列和潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，同時(shí)引入了一些人工設(shè)計(jì)的調(diào)控元件，使得合成染色體具有更好的穩(wěn)定性和功能性。人造染色體的構(gòu)建不僅為研究基因組的結(jié)構(gòu)和功能提供了全新的工具，也為未來(lái)設(shè)計(jì)和構(gòu)建全新的生物系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)人造染色體的進(jìn)一步改造和優(yōu)化，可以賦予細(xì)胞新的特性和功能，如提高細(xì)胞對(duì)惡劣環(huán)境的耐受性、增強(qiáng)細(xì)胞的代謝能力等，這對(duì)于生物制造、生物能源、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。?

在物質(zhì)合成領(lǐng)域，二氧化碳人工合成淀粉的成果具有革命性意義。2021 年，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)建 11 步主反應(yīng)的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，利用化學(xué)催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一化合物，然后通過(guò)生物途徑優(yōu)化，將碳一化合物聚合成碳三化合物，最終合成了淀粉。按照目前的技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，理論上 1 立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于 5 畝土地玉米種植的淀粉年平均產(chǎn)量。這一成果使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能，不僅可以節(jié)省大量的土地、水資源和勞動(dòng)力，還能減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響，為應(yīng)對(duì)全球糧食危機(jī)和氣候變化提供了新的解決方案。同時(shí)，該技術(shù)也為其他復(fù)雜化合物的人工合成提供了新思路和方法，推動(dòng)了合成生物學(xué)在生物制造領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。?

在生物材料領(lǐng)域，合成生物學(xué)也為開(kāi)發(fā)新型生物材料提供了創(chuàng)新途徑。例如，通過(guò)對(duì)微生物進(jìn)行基因改造，使其能夠合成具有特殊性能的生物聚合物，如聚羥基脂肪酸酯（PHA）。PHA 是一類由微生物合成的高分子材料，具有生物可降解性、生物相容性、光學(xué)活性等優(yōu)良特性，可廣泛應(yīng)用于包裝、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的 PHA 生產(chǎn)方法存在成本高、產(chǎn)量低等問(wèn)題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。利用合成生物學(xué)技術(shù)，研究人員可以對(duì)微生物的代謝途徑進(jìn)行優(yōu)化，提高 PHA 的合成效率和產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。此外，還可以通過(guò)基因編輯技術(shù)對(duì) PHA 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控，賦予其更多的功能和特性，如改善其力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性等，使其能夠更好地滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。這種基于合成生物學(xué)的新型生物材料開(kāi)發(fā)策略，不僅有助于減少對(duì)傳統(tǒng)石化材料的依賴，緩解資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，還為生物材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。

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