一、合成生物技術背景和意義

合成生物將使全球顛覆性科技創(chuàng)新進入空前密集活躍的時期,新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革開始重構全球創(chuàng)新版圖、重塑全球經(jīng)濟結構。國家科技部于“十二五”期間，在“863”“973”計劃中啟動了合成生物學研究項目，實質(zhì)性地推動了這一學科的發(fā)展。國家《“十三五”生物技術創(chuàng)新專項規(guī)劃》，將合成生物技術列為“構建具有國際競爭力的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術體系”，把合成生物作為“發(fā)展引領產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術”之一。科技部已經(jīng)設立“合成生物學重點專項”，2018年合成生物專項36項支持資金7億0628萬元，該專項總體目標：圍繞物質(zhì)轉(zhuǎn)化、生態(tài)環(huán)境保護、醫(yī)療水平提高、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)等重大需求，突破合成生物學的基本科學問題，構建幾個實用性的重大人工生物體系，創(chuàng)新合成生物前沿技術，為促進生物產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與經(jīng)濟綠色增長等做出重大科技支撐。

二、合成生物技術原理

2010年10月合成生物學的奠基者之一，美國斯坦福大學的教授通過標準化，設計和改造生物系統(tǒng)所需的生物元件得以界定，其功能得以刻畫和抽象化；通過從去耦合，人造生物系統(tǒng)的復雜性，包括生物元件之間的相互作用得以規(guī)范化，從而最大程度上降低了人造生物系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能性；通過模塊化，人造生物系統(tǒng)的復雜功能可以被拆解為功能上相互獨立的模塊，每個模塊可以進而被拆解為對應的生物元件，從而為生物系統(tǒng)的設計與組裝提供了理性指導。

三次生物科技革命，引領科技產(chǎn)業(yè)顛覆性發(fā)展：

第一次生物科技革命以沃森、克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構為標志，人們從分子層面對生命的探索更加深入；

第二次生物科技革命以人類基因組計劃的完成，標志著探秘基因組學有了新的工具和方法；

第三次生物科技革命（合成生物）以編碼基因，甚至創(chuàng)造生命，來解決各種現(xiàn)實問題，在社會生產(chǎn)生活各個方面有著巨大潛力和應用前景。

合成生物學的主要研究內(nèi)容分為三個層次：

一是利用現(xiàn)有的天然生物模塊構建新的調(diào)控網(wǎng)絡并表現(xiàn)出新功能；

二是采用從頭合成方法人工合成基因組DNA；

三是人工創(chuàng)建全新的生物系統(tǒng)乃至生命體。

三、微生物合成生物技術的特征：

一是學科交叉匯聚日益緊密，拓展了科學發(fā)現(xiàn)與技術突破的空間。生命科學與化學、信息、材料、工程等學科交叉融合，正在加速孕育和催生一批如合成生物技術、類腦人工智能技術等具有重大產(chǎn)業(yè)變革前景的顛覆性技術；

二是傳統(tǒng)意義上的基礎研究、應用研究、技術開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的邊界日趨模糊，科技創(chuàng)新鏈條更加靈巧，創(chuàng)新周期大大縮短；

三是現(xiàn)代生物技術迅猛發(fā)展，取得了一系列重要進展和重大突破，加速向應用領域演進，廣泛應用于綠色制造、生物醫(yī)藥、健康、農(nóng)業(yè)、能源和環(huán)境等與國計民生和國家安全密切相關的重要領域，金融資本已成為生物技術領域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的重要推手，已經(jīng)成為推動經(jīng)濟發(fā)展的核心驅(qū)動力。

四、傳統(tǒng)技術和現(xiàn)代技術與合成生物的區(qū)別：

第一，傳統(tǒng)發(fā)酵技術是利用微生物的發(fā)酵作用，運用一些技術手段控制發(fā)酵過程，大規(guī)模的生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品的技術．發(fā)酵工業(yè)起源很早，中國早在公元前22世紀就用發(fā)酵法釀酒，然后開始制醬、制醋、制腐乳等，這些都是我國傳統(tǒng)的發(fā)酵產(chǎn)品。傳統(tǒng)發(fā)酵具有培養(yǎng)條件苛刻、產(chǎn)量低下等缺點，而且大量基因簇在原始菌株中是沉默，傳統(tǒng)的天然產(chǎn)物開發(fā)是通過微生物或植物經(jīng)大規(guī)模發(fā)酵培養(yǎng)和分離提取來完成的。這一方式限制了許多天然產(chǎn)物的開發(fā)和應用。

第二，2003年人類基因組測序成功標志著第二次生物科技革命的到來，我們因此能夠大規(guī)模地“讀取”遺傳信息，并引領生命科學研究進入組學和系統(tǒng)生物學時代。

第三，而合成生物學是在系統(tǒng)生物學的基礎上，結合工程學理念，采用基因合成、編輯、網(wǎng)絡調(diào)控等新技術，來“書寫”新的生命體，或者改變已有的生命體，這將使人類對生命本質(zhì)的認識獲得質(zhì)的提升，從而引領了第三次生物科技革命。

生物制造經(jīng)歷了兩次革命和即將迎來的第三次生物革命（合成生物）:合成生物學的誕生深刻地影響了天然產(chǎn)物的開發(fā)研究, 賦予了這一傳統(tǒng)的領域以新的活力。

“第三次生物科技革命”：即通過生物探索的本質(zhì)與工程構建的特性相結合，從改造細胞內(nèi)網(wǎng)絡結構來模仿一些工程系統(tǒng)所具有的功能以進行學科的概念實現(xiàn)及應用示范，到將細胞作為“底盤”及“可編程”整體，開發(fā)有效組裝策略，測試外源元件和模塊加載后的適配性，組成精細，可定制化的生物應用系統(tǒng)，生產(chǎn)效率大幅提高，生產(chǎn)成本大幅降低，該產(chǎn)業(yè)綠色、清潔、環(huán)保，不受自然資源制約，可持續(xù)發(fā)展，具有廣闊的發(fā)展前景。

合成生物的基本工藝路線

五、合成生物研究開發(fā)的主要內(nèi)容

圖1  合成生物學的三大主要技術

第一，基因編輯技術：

CRISPR/Cas9技術：CRISPR/Cas9是一項靶向基因編輯的革新技術，可直接用于基因突變或敲除。

第二，DNA組裝技術：

根據(jù)非典型酶切連接、PCR、同源重組、單鏈退火拼接等原理發(fā)展起來的各種 DNA 克隆和組裝技術，為合成生物學更加快速而高效地進行大片段 DNA 的克隆和組裝提供技術支持。

第三，體內(nèi)定向進化技術：

定向進化是在實驗室條件下創(chuàng)造突變，并對突變文庫施加篩選壓力，從而篩選出具有期望表型的突變體。

表1 體內(nèi)定向進化的新技術

因此，體內(nèi)定向進化策略可以簡化定向進化的實驗操作，并減少人為因素的干擾，加快了重要功能基因的篩選。

六、技術發(fā)展趨勢及國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.合成生物國外現(xiàn)狀

合成生物學，最初由Hobom B.于1980年提出來表述基因重組技術，隨著分子系統(tǒng)生物學的發(fā)展，2000年E. Kool在美國化學年會上重新提出來，2003年國際上定義為基于系統(tǒng)生物學的遺傳工程和工程方法的人工生物系統(tǒng)研究，從基因片段、DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡與信號傳導路徑到細胞的人工設計與合成，類似于現(xiàn)代集成型建筑工程，將工程學原理與方法應用于遺傳工程與細胞工程等生物技術領域，合成生物學、計算生物學與化學生物學一同構成系統(tǒng)生物技術的方法基礎。

2010年10月合成生物學的奠基者之一，美國斯坦福大學的教授曾提出，標準化，去耦合和模塊化是合成生物學的重要原則。

2019年3月，《自然》雜志刊登了一則由酵母合成大麻素的研究成果，以人工種植方式，6個月才能提取的大麻素，如果用改造后的酵母來生產(chǎn)，會極大地提升效率。

美國在合成生物學方面投入了近10億美元，建立了多個相關研究中心。美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動的“生命鑄造廠”計劃以及“生命鑄造廠-分子”計劃，便是利用合成生物學技術實現(xiàn)材料的標準化設計和制造。美軍也將生命鑄造廠確定為未來三大顛覆性生物技術之一。

日本科學家將放線菌的基因轉(zhuǎn)移到大腸桿菌，通過設計新的代謝途徑，生產(chǎn)出可耐400攝氏度高溫的生物塑料。整個生產(chǎn)過程節(jié)約能源并減少了二氧化碳的排放。作為產(chǎn)品的生物塑料可自然降解，有利于保護環(huán)境。

截至2016年2月，全球合成生物學實體機構(包括公司、高校、研究所、實驗室等)約565個，主要集中在美國(388個)、英國(69個)、德國(41個)、中國(27個)和日本(21個)。這些機構正在或即將為工業(yè)生物技術行業(yè)提供強大的助力。

2.合成生物學中國的現(xiàn)狀

早在上世紀六七十年代，我國生物化學家和有機合成化學家共同努力，在世界上率先人工合成了有生理活性的胰島素和酵母丙氨酸-tRNA。

1994年中科院曾邦哲發(fā)表系統(tǒng)生物工程的基因組藍圖設計與生物機器裝配、生物分子電腦與細胞仿生工程等仿生學與基因工程的整合概念，從而正式提出計算機學和仿生學、轉(zhuǎn)基因工程的細胞分子機器的設計與裝配研究。

2010年，李騰所在的清華實驗室研究人員從新疆艾丁湖邊的鹽堿地分離出了一株特殊的細菌，通過DNA水平的“編程”控制微生物的行為，從而重構了整個生產(chǎn)工藝。藍晶的PHA塑料將主要面向農(nóng)用地膜、醫(yī)用植入材料和可降解包裝材料三個領域。

七、合成生物技術的創(chuàng)新點

合成生物技術已經(jīng)成為綠色生物制造產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的引擎。

第一，利用現(xiàn)有的天然生物模塊構建新的調(diào)控網(wǎng)絡并表現(xiàn)出新功能；

第二，采用從頭合成方法人工合成基因組DNA；

第三，人工創(chuàng)建全新的生物系統(tǒng)乃至生命體,合成生物學包含兩個用途：

一是通過人造細胞工廠進行高效生產(chǎn)，“造來用”；

二是通過人造生命了解生物基礎法則，“造來懂”。因此有學者稱這項技術為“建物致知”。

八、合成生物技術的應用

1.生物醫(yī)藥開發(fā)

第一，合成生物學有助于發(fā)現(xiàn)、分離獲得新的天然藥物，設計新的生物合成途徑，產(chǎn)生更多天然藥物及類似物；

第二，將合成生物學原理廣泛的應用于腫瘤治療的免疫細胞的設計，產(chǎn)生多樣化的治療策略，最大可能的做到高效、低毒、可控、通用等目標；開發(fā)快速、靈敏的診斷試劑和體外診斷系統(tǒng)，滿足早期篩查、臨床診斷、療效評價、治療預后、出生缺陷診斷的需求；

第三，促進疫苗升級換代，重點推動新型疫苗（包括治療性疫苗）的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

2.生物新能源開發(fā)

開發(fā)人工合成細菌，可將糖類直接轉(zhuǎn)化成與常規(guī)燃油兼容的生物燃油，甚至可以直接從太陽獲取能量，制造清潔燃料。

3.微生物機器人

運用合成生物學技術對微生物進行改造，構建能夠監(jiān)測、聚集和降解環(huán)境污染物的微生物體，用來消除水污染、清除垃圾、處理核廢料等，可用于水域、空氣等開放環(huán)境以及飛機、艦艇、洞庫等密閉軍事作業(yè)環(huán)境中污染物的檢測與清理。

4.新材料

基于合成生物學理論和技術設計，合成高活性和高穩(wěn)定性的新材料具有重量輕、強度高、結構精細、性能特異、生產(chǎn)能耗少、成本低、速度快、環(huán)境危害小等特點，在工業(yè)生產(chǎn)領域有廣泛用途。

5.基于人造生物體設計、構建的生物計算機和基于生物合成材料的新型量子計算機，其運算速度和存儲能力有望比現(xiàn)有計算機高出數(shù)億倍，在此基礎上研發(fā)的智能計算機可能具備人腦的分析、判斷、聯(lián)想、記憶等功能，給經(jīng)濟社會發(fā)展和人類生活帶來難以估量的顛覆性影響。

6.珍稀資源量產(chǎn)化

利用合成生物學能夠借助于微生物完美再現(xiàn)自然狀態(tài)下獲取的天然活性物質(zhì)，在保障其天然功效的同時滿足社會商業(yè)化應用的需求，真正實現(xiàn)長足的可持續(xù)發(fā)展。

7.生物量子計算機

運用合成生物學對人造生物體設計、構建的生物計算機和基于生物合成材料的新型量子計算機，其運算速度和存儲能力有望比現(xiàn)有計算機高出數(shù)億倍，在此基礎上研發(fā)智能計算機，可具備人腦的分析、判斷、聯(lián)想、記憶等功能，給經(jīng)濟社會發(fā)展和人類生活帶來難以估量的顛覆性影響。

合成生物學的早期產(chǎn)業(yè)化應用領域

九、中國合成生物研究機構

第一、中國科學院成立的合成生物學重點實驗室；

第二、2017年中科院深圳先進院合成生物學研究所設立后將下設定量合成生物學研究中心、合成生物化學研究中心、合成基因組學研究中心。

第三、中國科學院與天津市共建“國家合成生物技術創(chuàng)新中心”；

第四、中科院北京生命研究院合成生物學研究中心(籌備中)

合成生物學的早期產(chǎn)業(yè)化應用領域

第五、天津大學合成生物學前沿科學中心；

第六、南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室、

第七、清華大學合成與系統(tǒng)生物學中心

第八、北京大學合成與功能生物分子中心

第九、中國生物工程學會合成生物學專業(yè)委員會（籌）成立

十、中國在合成生物技術方面取得的重要成果

第一、中國科學院深圳先進技術研究院，對酵母長染色體的精準定制合成和利用非天然氨基酸“將病毒直接轉(zhuǎn)化為活疫苗及治療性藥物”兩項成果，對農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、環(huán)境環(huán)保和能源等多個領域產(chǎn)生深遠影響；

第二、中科院上海有機化學研究所劉文團隊在林可霉素生物合成機制方面取得突破；

第三、中科院天津工業(yè)生物技術研究所張學禮研究員與中國中醫(yī)科學院中藥資源中心黃璐琦研究員成功獲得第一代“人參酵母”細胞工廠；

第四、中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所與云南農(nóng)業(yè)大學合作，實現(xiàn)了燈盞乙素生物合成；

第五、中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態(tài)研究所王勇，使大腸桿菌中甜菊糖生物合成的關鍵中間體產(chǎn)量得到大幅度提高；

第六、天津大學宋浩教授團隊，闡明了胞內(nèi)電子池容量是限制胞外電子傳遞速率這個微生物電生理領域的重大科學問題；

第七、中國科學院微生物研究所張立新研究員與美國波士頓大學劉平華教授德克薩斯大學奧斯汀分校張燕教授合作，他們從幾株曲霉和靑霉菌種中分離出具有抗感染等多種生物活性的含過氧橋鍵萜類吲哚生物堿真菌毒素；

第八、中國科學院昆明植物研究所甘煩遠研究員紫杉醇的生物合成

第九、中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心在國際上首次人工創(chuàng)建了單條染色體的真核細胞——釀酒酵母（釀酒酵母天然16條染色體已人工合成6條）；

第十、中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員李盛英在國際上首次闡明了利福霉素SV轉(zhuǎn)化為利福霉素B的詳細生物合成；

第十一、中國科學院青島生物能源與過程研究所生物基材料組群趙廣研究組成功利用克雷伯氏菌實現(xiàn)100%光學純D-乳酸的合成；

第十二、天津大學、清華大學和深圳華大基因等團隊經(jīng)過多年聯(lián)合研究，成功突破了酵母通過自然進化難以實現(xiàn)的局限，于2017年精準定制合成了四條酵母長染色體。

第十三、天津大學化工學院學生團隊利用基因工程對菌株進行改造，得到了高效混菌微生物燃料電池；

十四、西南大學夏慶友教授課題組通過敲除Fib-H基因（絲蛋白的最主要成分）獲得空絲腺；

十一、合成生物技術市場前景

近年來，我國合成生物學研究集中在基礎科學方法、基因組合成以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等領域的應用技術探索等方面，總體上已經(jīng)處于合成生物學國際行列第二位。

合成生物學領域的產(chǎn)業(yè)投資額超過10億美元，涵蓋生物材料、基因工程、組織工程、自動化等，并且已經(jīng)有大量技術和產(chǎn)品運用在制藥、化妝品、食品添加、再生醫(yī)學、廢物處理、農(nóng)藝學等領域，實現(xiàn)2-3個千噸級至萬噸級工程化應用示范，相比現(xiàn)有化工生產(chǎn)路線，生產(chǎn)成本降低50%以上，污染物排放減少90%以上 ，市場前景非常廣闊。

參考文獻

1.我國合成生物學研究力量、政策支持及青蒿素案例

供稿人：鄧樺  供稿時間：2019-6-4

2.探針資本《2019合成生物學行業(yè)研究》

3.合成生物學研究的工程化平臺

崔金明1 張炳照1 馬迎飛1 傅雄飛1 王 猛2 劉陳立1*

第一，中國科學院深圳先進技術研究院 深圳 518055

第二，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所 天津 300308

4.合成生物學的發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn)

工程師郭婷 發(fā)表于 2018-08-29 09:10:36

合成生物技術將在2050年領跑全世界？

2017-03-14 05:08:05　科技日報社-中國科技網(wǎng)

5.其他文獻參考互聯(lián)網(wǎng)