在科技飛速發(fā)展的當下，合成生物學作為一門新興的交叉學科，正逐漸嶄露頭角，引發(fā)了科學界、產(chǎn)業(yè)界乃至社會各界的廣泛關注，它融合了生物學、工程學、化學、計算機科學等多學科的理論與技術，旨在通過設計和構建新的生物系統(tǒng)或對現(xiàn)有生物系統(tǒng)進行重新編程，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)研報告指出，合成生物學是一門新興的多學科交叉領域，它融合了生物學、工程學、計算機科學、化學等多個學科的原理和方法 ，旨在通過設計和構建新的生物系統(tǒng)，或對已有的天然生物系統(tǒng)進行重新設計和改造，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)境等諸多領域的需求。簡單來說，合成生物學就像是一場生命的 “設計與建造游戲”，科學家們?nèi)缤?“生命工程師”，運用各種技術手段，對生物的遺傳信息進行精準操作，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。?

從本質(zhì)上講，合成生物學是對生命科學的一種創(chuàng)新性拓展。傳統(tǒng)生物學主要側重于對自然生命現(xiàn)象的觀察、描述和解析，探索生命活動的基本規(guī)律；而合成生物學則反其道而行之，它從工程學的視角出發(fā)，以 “設計 - 構建 -?

二、合成生物學行業(yè)關鍵技術與創(chuàng)新成果?

1、核心技術?

2.1.1 基因編輯技術?

基因編輯技術是合成生物學的關鍵底層技術之一，其中 CRISPR - Cas 系統(tǒng)以其操作簡便、效率高、成本低等優(yōu)勢，成為目前應用最為廣泛的基因編輯工具。CRISPR 是 “Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats” 的縮寫，意為成簇規(guī)律間隔短回文重復序列，而 Cas 則是與之相關的蛋白（CRISPR - associated proteins）。該系統(tǒng)最初源于細菌的免疫系統(tǒng)，當細菌受到噬菌體等外來病毒入侵時，會將病毒的部分 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，CRISPR 轉錄產(chǎn)生的 RNA（crRNA）會與 Cas 蛋白結合形成復合物，憑借 crRNA 與病毒 DNA 的互補配對，引導 Cas 蛋白精準切割入侵病毒的 DNA，從而實現(xiàn)對病毒的免疫防御。?

在合成生物學的實際應用中，科學家們巧妙地利用 CRISPR - Cas 系統(tǒng)的這一特性，對各種生物的基因組進行精確編輯。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、受植物生長條件限制等問題。通過 CRISPR - Cas 技術，研究人員能夠對青蒿的基因進行精準改造，優(yōu)化青蒿素的合成代謝途徑，提高相關酶的表達量和活性，從而顯著提高青蒿素的產(chǎn)量。具體來說，他們可以通過基因編輯敲除一些抑制青蒿素合成的基因，或者增強那些促進青蒿素合成的關鍵基因的表達，使得青蒿細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，對于全球瘧疾防治工作具有重要意義。?

除了在藥物合成領域的應用，CRISPR - Cas 技術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，如鐮狀細胞貧血、囊性纖維化等。CRISPR - Cas 技術能夠精確地識別并修復這些突變基因，為治療這些遺傳性疾病帶來了新的希望。例如，在鐮狀細胞貧血的治療研究中，科學家們利用 CRISPR - Cas 系統(tǒng)對患者造血干細胞中的致病基因進行編輯，使其恢復正常功能。經(jīng)過基因編輯后的造血干細胞能夠分化產(chǎn)生正常的紅細胞，從而有望從根本上治愈鐮狀細胞貧血。目前，相關的臨床試驗正在積極開展中，雖然仍面臨著一些技術挑戰(zhàn)和倫理問題，但已經(jīng)取得了一些令人鼓舞的階段性成果。?

然而，CRISPR - Cas 技術也并非完美無缺。其面臨的主要挑戰(zhàn)之一是脫靶效應，即 Cas 蛋白可能會在非目標位點進行切割，導致基因組的意外突變，這可能會引發(fā)一系列未知的生物學后果。為了解決這一問題，科研人員正在不斷改進技術，開發(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，降低脫靶風險。同時，基因編輯技術在應用過程中還涉及到復雜的倫理和社會問題，如人類生殖系基因編輯可能引發(fā)的遺傳多樣性改變、設計嬰兒等倫理爭議，需要全球科學界、政府和社會各界共同探討，制定合理的倫理準則和監(jiān)管政策，確保基因編輯技術能夠安全、合理地應用于造福人類。?

2.1.2 DNA 合成技術?

DNA 合成技術是合成生物學的另一項核心支撐技術，它是指在體外通過化學或酶促等方法，按照預定的序列合成 DNA 分子的技術。DNA 合成技術的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，從最初的手工合成寡核苷酸片段，到后來的自動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，其合成效率、準確性、成本和長度等關鍵指標都得到了顯著改善。?

早期的 DNA 合成主要采用化學合成方法，如固相亞磷酰胺三酯法。該方法以固相載體為基礎，通過一系列化學反應逐步將核苷酸單體連接起來，形成目標 DNA 序列。具體過程包括去保護、偶聯(lián)、加帽和氧化等步驟，在每一輪反應中，將一個帶有保護基團的核苷酸添加到正在合成的 DNA 鏈上，經(jīng)過反復循環(huán)，最終合成出所需的 DNA 片段。這種方法的優(yōu)點是合成準確性較高，能夠滿足大多數(shù)常規(guī)實驗對 DNA 片段的需求，目前仍然是商業(yè)化 DNA 合成的主要技術之一。然而，它也存在一些局限性，例如隨著合成鏈長度的增加，合成效率會逐漸降低，合成成本會大幅上升，且合成過程中需要使用大量有毒化學試劑，對環(huán)境造成一定污染，合成的 DNA 片段長度通常也受到限制，一般不超過 200 個核苷酸。?

為了克服傳統(tǒng)化學合成方法的局限性，近年來出現(xiàn)了多種新型 DNA 合成技術，其中酶促 DNA 合成技術備受關注。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。與化學合成法相比，酶促合成法具有諸多優(yōu)勢。首先，它的反應條件溫和，對 DNA 的損傷較小，有助于提高合成的準確性；其次，酶促反應的特異性高，能夠減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)更長 DNA 片段的合成；此外，酶促合成過程無需使用有毒化學試劑，更加環(huán)保。目前，酶促 DNA 合成技術仍處于不斷發(fā)展和完善階段，雖然在合成效率和成本方面還無法與傳統(tǒng)化學合成法完全競爭，但已經(jīng)展現(xiàn)出了巨大的潛力，隨著技術的進一步突破，有望成為未來 DNA 合成的主流技術。?

DNA 合成技術在合成生物學中發(fā)揮著不可或缺的作用，特別是在構建人工基因線路和基因組方面。通過 DNA 合成技術，科學家們能夠根據(jù)自己的設計，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入到宿主細胞中，賦予細胞新的功能，如生產(chǎn)特定的生物制品、響應環(huán)境信號等。例如，在生物燃料的生產(chǎn)研究中，研究人員可以設計并合成一系列基因線路，將其導入微生物細胞中，使微生物能夠高效地將生物質(zhì)轉化為生物燃料，如乙醇、丁醇等。這種通過人工設計和合成基因線路來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 合成技術使得從頭合成基因組成為可能。2010 年，美國科學家 Craig Venter 領導的研究團隊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)的山羊支原體細胞中，創(chuàng)造出了世界上首個 “人造生命”—— 辛西婭（Synthia）。這一里程碑式的成果展示了 DNA 合成技術在合成生物學領域的巨大潛力，也為未來構建全新的生物系統(tǒng)、探索生命的本質(zhì)和規(guī)律奠定了基礎。此后，科學家們在基因組合成方面不斷取得進展，如酵母基因組合成計劃（Sc2.0）旨在合成完整的酵母基因組，通過對酵母基因組的重新設計和合成，深入研究基因的功能和相互作用，以及基因組的進化和調(diào)控機制，這對于推動生物技術的發(fā)展和應用具有重要意義。?

2.1.3 生物元件與基因線路?

生物元件是構成復雜生命系統(tǒng)的最基本、功能最簡單的單元，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)模的設計中與其他元件進一步組合，形成具有特定生物學功能的生物學裝置。常見的生物元件包括調(diào)控元件（如啟動子、增強子、阻遏子等，它們能夠調(diào)節(jié)基因的表達水平）、催化元件（如各種酶，能夠催化生物化學反應的進行）、結構元件（參與構成細胞的各種結構，如細胞膜、細胞壁等）以及操控和感應元件（能夠感知環(huán)境信號并將其轉化為細胞內(nèi)的生物學響應，如受體蛋白等）。這些生物元件具有高度的特異性和多樣性，它們在細胞內(nèi)相互協(xié)作，共同維持著生命活動的正常進行。?

基因線路則是由多個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，通過對基因表達的精確調(diào)控，實現(xiàn)特定的生物學功能。基因線路可以被看作是生命體對自身生命過程控制的動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)，它由啟動子、阻遏子、增強子等調(diào)節(jié)元件以及被調(diào)節(jié)基因構成。人工基因線路通過遺傳線路工程合成，主要分為基本型和組合型兩類。基本型人工基因線路依據(jù)生物學知識，設計并構建基因開關、放大器、振蕩器、邏輯門、計數(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，基因開關可以控制基因的開啟和關閉，就像電路中的開關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變化，類似于電子電路中的振蕩器產(chǎn)生周期性的電信號。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，用于模擬高級生命過程的遺傳裝置，它能夠實現(xiàn)更為復雜的生物學功能，如細胞的分化、發(fā)育以及對環(huán)境變化的適應性響應等。?

在合成生物學中，生物元件和基因線路的應用十分廣泛。通過合理設計和組合生物元件，構建具有特定功能的基因線路，可以實現(xiàn)對生物代謝途徑的精準調(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，通過構建基因線路，調(diào)控相關基因的表達，優(yōu)化生物合成途徑，可以使細胞大量合成目標產(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雜，利用合成生物學技術，科學家們設計并構建了一種基因線路，將其導入大腸桿菌等微生物中，通過調(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)過簡單的化學轉化，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建生物傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境中各種物質(zhì)的快速、靈敏檢測。例如，利用特定的生物元件設計一種對重金屬離子敏感的基因線路，將其導入微生物細胞中。當環(huán)境中存在重金屬離子時，生物元件會感知到這種信號，并通過基因線路的調(diào)控，使微生物細胞產(chǎn)生特定的熒光或其他可檢測的信號，從而實現(xiàn)對重金屬離子的檢測。這種基于生物元件和基因線路的生物傳感器具有檢測靈敏度高、特異性強、成本低等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測等領域具有廣闊的應用前景。?

2、技術創(chuàng)新成果?

合成生物學在近年來取得了一系列令人矚目的技術創(chuàng)新成果，這些成果涵蓋了多個領域，展現(xiàn)了合成生物學的巨大潛力和應用價值。?

在基因組層面，人造染色體的成功構建是合成生物學的一項重大突破。2017 年，美國、中國、英國等多國研究人員共同參與的酵母基因組合成計劃（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，這是人類首次實現(xiàn)對真核生物染色體的從頭合成。合成酵母染色體的過程并非簡單地復制天然染色體，而是對其進行了重新設計和優(yōu)化，去除了一些冗余序列和潛在的風險因素，同時引入了一些人工設計的調(diào)控元件，使得合成染色體具有更好的穩(wěn)定性和功能性。人造染色體的構建不僅為研究基因組的結構和功能提供了全新的工具，也為未來設計和構建全新的生物系統(tǒng)奠定了基礎。通過對人造染色體的進一步改造和優(yōu)化，可以賦予細胞新的特性和功能，如提高細胞對惡劣環(huán)境的耐受性、增強細胞的代謝能力等，這對于生物制造、生物能源、生物醫(yī)藥等領域的發(fā)展具有重要意義。?

在物質(zhì)合成領域，二氧化碳人工合成淀粉的成果具有革命性意義。2021 年，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所的科研團隊在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。該團隊通過設計構建 11 步主反應的非自然二氧化碳固定與人工合成淀粉新途徑，利用化學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器年產(chǎn)淀粉量相當于 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)模式轉變成為可能，不僅可以節(jié)省大量的土地、水資源和勞動力，還能減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響，為應對全球糧食危機和氣候變化提供了新的解決方案。同時，該技術也為其他復雜化合物的人工合成提供了新思路和方法，推動了合成生物學在生物制造領域的應用和發(fā)展。?

在生物材料領域，合成生物學也為開發(fā)新型生物材料提供了創(chuàng)新途徑。例如，通過對微生物進行基因改造，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、光學活性等優(yōu)良特性，可廣泛應用于包裝、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領域。傳統(tǒng)的 PHA 生產(chǎn)方法存在成本高、產(chǎn)量低等問題，限制了其大規(guī)模應用。利用合成生物學技術，研究人員可以對微生物的代謝途徑進行優(yōu)化，提高 PHA 的合成效率和產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。此外，還可以通過基因編輯技術對 PHA 的結構進行設計和調(diào)控，賦予其更多的功能和特性，如改善其力學性能、熱穩(wěn)定性等，使其能夠更好地滿足不同領域的應用需求。這種基于合成生物學的新型生物材料開發(fā)策略，不僅有助于減少對傳統(tǒng)石化材料的依賴，緩解資源短缺和環(huán)境污染問題，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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