“合成生物學(xué)”研究前沿與發(fā)展趨勢

王璞玥 唐鴻志 吳震州 孟慶峰 楊正宗 杜生明 馮雪蓮

合成生物學(xué)是一門新興交叉學(xué)科，其工程化設(shè)計(jì)理念，對生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成，突破了生命發(fā)生與進(jìn)化的自然法則，打開了從非生命物質(zhì)向生命物質(zhì)轉(zhuǎn)化的大門，將生命科學(xué)引入“多學(xué)科匯聚式”研究，催生了繼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)和基因組測序之后的“第三次生物科學(xué)革命”。我國正處于新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大突破期、國民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的動力轉(zhuǎn)換期、科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的深度融通期、全球科技創(chuàng)新版圖的深度調(diào)整期、增強(qiáng)源頭創(chuàng)新能力的重要攻堅(jiān)期，合成生物學(xué)有望為我國在破解人類面臨的健康、資源、環(huán)境、國防等領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)提供新的解決方案，是將生物科技領(lǐng)域基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際社會生產(chǎn)力的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)最富前景的領(lǐng)域之一。

1 合成生物學(xué)研究面臨的重大機(jī)遇與挑戰(zhàn)

1.1 合成生物學(xué)研究的戰(zhàn)略意義

自2000年《自然》（《Nature》）雜志報(bào)道了人工合成基因線路研究成果以來，合成生物學(xué)研究在全世界范圍引起了廣泛的關(guān)注與重視，被公認(rèn)為在醫(yī)學(xué)、制藥、化工、能源、材料、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，合成生物學(xué)發(fā)展又進(jìn)入了新的快速發(fā)展階段，研究主流從單一生物部件的設(shè)計(jì)，迅速拓展到對多種基本部件和模塊進(jìn)行整合。合成生物學(xué)是在現(xiàn)代生物學(xué)與信息技術(shù)高度發(fā)展并逐步走向成熟的大背景下形成的，是一個(gè)自然發(fā)展的、必然的結(jié)果。其將從對自然生命過程編碼信息的解讀和注釋，發(fā)展到能在人為目標(biāo)指導(dǎo)下、對該過程重新編寫的高度，從而挑戰(zhàn)對復(fù)雜生物體和復(fù)雜生命體系“描述—解釋—預(yù)測—控制”的核心認(rèn)識問題。

全球多項(xiàng)預(yù)測報(bào)告都將合成生物學(xué)未來市場的發(fā)展及其對全球經(jīng)濟(jì)帶來的影響提升到了戰(zhàn)略高度。早在2004年美國MIT出版的《技術(shù)評論》就把合成生物學(xué)選為將改變世界的十大技術(shù)之一；2010年，合成生物學(xué)位列《科學(xué)》雜志評出的十大科學(xué)突破第2名和《自然》雜志盤點(diǎn)的12件重大科學(xué)事件第4名。2013年國際著名咨詢機(jī)構(gòu)麥肯錫公司將合成生物學(xué)評為能夠引起人類生活以及全球經(jīng)濟(jì)發(fā)生革命性進(jìn)展的顛覆性科技。2014年，世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）發(fā)布《合成生物學(xué)政策新議題》報(bào)告，認(rèn)為合成生物學(xué)領(lǐng)域前景廣闊，建議各國政府把握機(jī)遇，引入資金，以創(chuàng)新方式推動代表未來生物技術(shù)革命的合成生物學(xué)的發(fā)展。我國《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》都將合成生物技術(shù)列為“構(gòu)建具有國際競爭力的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系”所需的“發(fā)展引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)”之一；《國家自然科學(xué)基金“十三五”學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告生命科學(xué)》將“生命及生物學(xué)過程的設(shè)計(jì)與合成”列為重要的交叉研究優(yōu)先資助領(lǐng)域之一。

1.2 合成生物學(xué)領(lǐng)域不斷取得重大突破

21世紀(jì)初期，科學(xué)家嘗試在現(xiàn)代生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)的基礎(chǔ)上引入工程學(xué)思想和策略，誕生了學(xué)科高度交叉的合成生物學(xué)。合成生物學(xué)以其工程化思維及由此衍生的嶄新的科研文化，喚醒了生物學(xué)及相關(guān)傳統(tǒng)學(xué)科從“發(fā)現(xiàn)”走向“創(chuàng)造”的強(qiáng)大生命力，正在帶來生物學(xué)向工程技術(shù)科學(xué)轉(zhuǎn)化的重大變革。

近年來，合成生物學(xué)發(fā)展進(jìn)入了新的快速發(fā)展階段，研究主流從單一生物部件的設(shè)計(jì)，迅速拓展到對多種基本部件和模塊進(jìn)行整合。多種基因組編輯方法（如CRISPR）的開發(fā)為合成生物學(xué)的應(yīng)用提供了有力武器，基因合成、編輯、網(wǎng)絡(luò)調(diào)控等新技術(shù)來“書寫”新的生命體已成為現(xiàn)實(shí)。自2002年人類首次合成病毒后，第一個(gè)合成基因組的原核生物（支原體）、多條合成酵母染色體等相繼問世，人工基因組的合成突破了自然的限制，這將對生命本質(zhì)的認(rèn)識水平獲得極大提升，其科學(xué)意義顯而易見。融合酵母染色體實(shí)現(xiàn)了人類通過實(shí)驗(yàn)手段系統(tǒng)地、大規(guī)模地改造一個(gè)物種的染色體數(shù)目，重新認(rèn)知和改造真核生物基因組，為生命進(jìn)化與演化提供了全新的視角。在已有生命體基礎(chǔ)上進(jìn)行改造是合成生物學(xué)的另一大機(jī)遇。通過深度挖掘高效功能元件，重構(gòu)代謝網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化元件與底盤的適配性，并對代謝網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，從而構(gòu)建基于人工基因線路的定制化細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)藥物與功能材料或目的化合物的大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。這些設(shè)計(jì)及應(yīng)用有可能為醫(yī)藥創(chuàng)新、資源開發(fā)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等方面做出重大貢獻(xiàn)。

1.3 合成生物學(xué)發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

雖然目前研究者取得了重大突破，但合成生物學(xué)的發(fā)展仍在早期階段。面對經(jīng)過億萬年自然選擇壓力下進(jìn)化形成的高度動態(tài)、靈活調(diào)控、非線性且難以預(yù)測的復(fù)雜生命體系，人類的認(rèn)識非常有限，還面臨一系列知識和技術(shù)創(chuàng)新的難題，主要表現(xiàn)在。

（1） 難以按照事先確定的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不穩(wěn)定，實(shí)質(zhì)上是如何抽象生物學(xué)元素，處理生命系統(tǒng)的復(fù)雜性問題。按照自然特征表征元件，建立兼容的銜接，提升由生物元件組裝而成的生物線路的可預(yù)測性。

（2） 區(qū)分生物組件（元件模塊）的生物學(xué)與工程學(xué)概念之間的差別，生物學(xué)元件的模塊化程度與銜接“標(biāo)準(zhǔn)”，通過自然選擇達(dá)到最適匹配度，使其具有普適性。

（3）開發(fā)人工生物體系構(gòu)建與運(yùn)行的新技術(shù)新方法，如基因合成、基因編輯和基因組裝技術(shù)的開發(fā)與推廣；基因密碼子擴(kuò)展和應(yīng)用（利用非天然氨基酸設(shè)計(jì)關(guān)鍵酶等）；生物大分子的定向進(jìn)化與人工設(shè)計(jì)；基因回路設(shè)計(jì)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化。

（4）人工定向進(jìn)化制造功能定制型生物元件，建模解析并優(yōu)化生物合成體系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，根據(jù)需求重建代謝網(wǎng)絡(luò)生物體系與智能合成系統(tǒng)。

（5）通過DNA組裝及合成，對底盤細(xì)胞進(jìn)行基因編輯，優(yōu)化元件線路與底盤細(xì)胞。把握底盤生物，根據(jù)需要和能力發(fā)展多種底盤系統(tǒng)，逐步拓展底盤生物的范圍。

1.4 合成生物學(xué)研究可能帶來的社會風(fēng)險(xiǎn)及解決對策

合成生物學(xué)在過去20年中表現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿?，但其理論與技術(shù)體系正在不斷完善中，其工程對象正逐漸從簡單線路向復(fù)雜的基因組水平過渡。合成生物學(xué)著力實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、去耦合等工程目標(biāo)及應(yīng)用目的，同時(shí)也揭示了生物系統(tǒng)的高度復(fù)雜與高度互作的特點(diǎn)。

值得注意的是，在合成生物學(xué)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，其可能帶來的社會風(fēng)險(xiǎn)也必須引起人們警惕。首先，生物系統(tǒng)具有自我復(fù)制、突變進(jìn)化等特征，外源片段的導(dǎo)入可能會引起細(xì)胞內(nèi)的遺傳成分發(fā)生難以預(yù)料的變化，菌株的進(jìn)化壓力或許會促使菌株形成“超級細(xì)菌”。其次，合成生物學(xué)的數(shù)據(jù)、材料、方法更具有開放性和共享性，其兼容度高的元件模塊與共享的數(shù)據(jù)材料可能會帶來一定的社會風(fēng)險(xiǎn)。

合成生物學(xué)大力發(fā)展的同時(shí)，也要有一定約束。研究者也在嘗試通過控制重組菌的復(fù)制來幫助規(guī)避合成生物學(xué)帶來的社會風(fēng)險(xiǎn)?？梢灶A(yù)見，未來合成生物學(xué)的一個(gè)重要分支就是研究如何設(shè)計(jì)生物系統(tǒng)以規(guī)避合成生物學(xué)等帶來的生物安全問題。

2 合成生物學(xué)主要研究進(jìn)展和重要研究成果

2.1 利用合成生物學(xué)理念發(fā)展先進(jìn)使能技術(shù)

（1）人工構(gòu)建細(xì)胞工廠與系統(tǒng)優(yōu)化代謝流。CO2生物固定轉(zhuǎn)化是地球有機(jī)碳源的根本來源，但轉(zhuǎn)化效率有待提升。利用合成生物學(xué)技術(shù)，構(gòu)建細(xì)胞工廠并優(yōu)化系統(tǒng)代謝流，創(chuàng)造或經(jīng)過改造的新生物系統(tǒng)可以突破原有生物系統(tǒng)的限制，實(shí)現(xiàn)CO2的高效生物轉(zhuǎn)化。例如，利用藍(lán)細(xì)菌與梭菌的固碳模塊及其胞內(nèi)的碳流與能量流分配規(guī)律設(shè)計(jì)的人工細(xì)胞，可利用光能、化學(xué)能將CO2高效轉(zhuǎn)化為醇、酮、酸、烯等有機(jī)化合物；光能自養(yǎng)型的藍(lán)細(xì)菌細(xì)胞工廠的設(shè)計(jì)和構(gòu)建得到了快速的發(fā)展，經(jīng)過改造的藍(lán)細(xì)菌已經(jīng)可以高效地合成乙醇，2,3-丁二醇，蔗糖等生物燃料及化學(xué)品。在分析—認(rèn)識—設(shè)計(jì)—構(gòu)建的研究策略指導(dǎo)下，不斷提高自養(yǎng)細(xì)胞工廠的效率，為形成以CO2/CO為原料、轉(zhuǎn)化合成大宗化學(xué)品的新路線、建立清潔、綠色、可持續(xù)的生物制造新模式奠定基礎(chǔ)。

（2）合成生物學(xué)推動下的工業(yè)生物技術(shù)。工業(yè)生物技術(shù)是利用微生物或者酶將淀粉、葡萄糖、脂肪酸、蛋白甚至纖維素等農(nóng)業(yè)資源轉(zhuǎn)化為化學(xué)品、燃料或者材料的技術(shù)。工業(yè)生物技術(shù)的生產(chǎn)規(guī)?？蛇_(dá)千萬噸級。但是，其生產(chǎn)過程中微生物的高密度生長和呼吸產(chǎn)生的大量代謝熱會導(dǎo)致系統(tǒng)升溫、酸堿擾動、細(xì)胞活力下降和自溶等問題，需使用大量的冷卻水和補(bǔ)加酸堿來控制微生物生長代謝，增加了過程控制的難度和成本。以生產(chǎn)生物材料聚羥基脂肪酸酯PHA為例，為了克服工業(yè)生物技術(shù)的這些弱點(diǎn)，利用合成生物學(xué)技術(shù)對底盤生物嗜鹽菌進(jìn)行系統(tǒng)改造，使其能在無滅菌和連續(xù)工藝過程中，利用混合碳源以海水為介質(zhì)高效生產(chǎn)各種生物塑料前體，獲得了超高PHA積累（92%），使生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性大幅度降低。經(jīng)過合成生物學(xué)改造的嗜鹽微生物體系還可廣泛用于生物燃料、小分子化學(xué)品和生物材料的生產(chǎn)。利用嗜熱菌熱激蛋白、類泛素和熱轉(zhuǎn)錄因子等構(gòu)建的1500多種耐熱基因元件，被進(jìn)一步設(shè)計(jì)為RNA熱響應(yīng)開關(guān)、微生物數(shù)量感應(yīng)和細(xì)胞程序化死亡等基因線路，構(gòu)建成智能熱量調(diào)節(jié)引擎，可動態(tài)控制細(xì)胞代謝的有效數(shù)量和高溫發(fā)酵的耐受性。其在大腸桿菌和釀酒酵母中的應(yīng)用可顯著提高賴氨酸和乙醇生產(chǎn)過程中的代謝轉(zhuǎn)化效率和菌株耐熱性。

2.2 生物功能元件人工設(shè)計(jì)與智能組裝

（1） 智能元器件的理性設(shè)計(jì)。合成生物學(xué)是以工程學(xué)理念為指導(dǎo)，通過整合生物學(xué)功能元件、模塊、系統(tǒng)，對生命體進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)、改造，使細(xì)胞或生物體具有特定的新功能。例如通過人工信號控制目標(biāo)蛋白的基因表達(dá)而構(gòu)建的定制化哺乳動物細(xì)胞，已在實(shí)驗(yàn)室中用于對模式動物血糖水平的控制，如齊墩果酸調(diào)控定制細(xì)胞治療小鼠糖尿?。灰葝u素傳感器定制細(xì)胞治療小鼠胰島素抵抗；光遺傳學(xué)治療小鼠糖尿病等。這其中人工生物功能元件與底盤的精確組裝是關(guān)鍵一環(huán)，而功能元件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)調(diào)控元件、表觀遺傳元件、功能酶元件、修飾元件、抗逆元件等分類設(shè)計(jì)規(guī)整及標(biāo)準(zhǔn)化是合成生物學(xué)的重要內(nèi)容。

（2）生物合成體系的理性設(shè)計(jì)和定向進(jìn)化。天然產(chǎn)物是新藥發(fā)現(xiàn)和發(fā)展的主要源泉。天然產(chǎn)物的生物合成研究為合成生物學(xué)提供了重要化學(xué)結(jié)構(gòu)單元生物合成元件及修飾元件、有效的調(diào)控元件以及眾多可操作的微生物細(xì)胞底盤。生物合成元件如莽草酸途徑提供的多種取代的苯甲酸結(jié)構(gòu)單元、甲基氨基酸單元和吡啶羧酸單元的合成模塊等；各種修飾酶類如糖基化酶、?；?、甲基化酶、氧化還原酶等；豐富的調(diào)控元件，可根據(jù)不同酶的催化效率進(jìn)行差異化時(shí)空表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)原始底物在一系列酶的協(xié)同催化下高效轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物。

合成生物學(xué)通過設(shè)計(jì)、組裝新的生物零件、裝置和系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)某種特定的生物功能。其理念和手段將賦予傳統(tǒng)的藥物化學(xué)和新興的化學(xué)生物學(xué)以新的內(nèi)涵，有力促進(jìn)藥物發(fā)現(xiàn)和生命有機(jī)化學(xué)基本規(guī)律的探索。體外構(gòu)建多酶體系指導(dǎo)下的“定向合成代謝”策略可以精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)多種重要天然產(chǎn)物的微生物高效合成，如法尼烯、番茄紅素、蝦青素等多種萜類化合物的高效合成；基于“定向合成代謝”策略構(gòu)建的萜類化合物高效合成平臺還可以用于挖掘新的萜類化合物。相較于傳統(tǒng)的天然產(chǎn)物挖掘手段，利用合成生物學(xué)發(fā)現(xiàn)新（骨架）化合物的數(shù)量和效率得到了極大的提升。

2.3 人工設(shè)計(jì)與合成智能生物體系

（1）人工設(shè)計(jì)合成基因組及其應(yīng)用?；蚪M合成是合成生物學(xué)中一個(gè)十分關(guān)鍵的點(diǎn)，是關(guān)鍵的使命技術(shù)。最近多個(gè)國家的科學(xué)家組成了一個(gè)國際聯(lián)盟，共同開展第一個(gè)真核生物——釀酒酵母基因組的重新設(shè)計(jì)與建造，該項(xiàng)基因組工程被簡稱為Sc2.0。該工程強(qiáng)調(diào)對基因組的整體設(shè)計(jì)，包括消除基因組中的轉(zhuǎn)座子、重復(fù)序列等可能的冗余元件，同時(shí)加入一些特定的元件。人工設(shè)計(jì)的酵母可用來生產(chǎn)疫苗、藥物和特定的化合物。近期，該國際聯(lián)盟通過系列文章從多個(gè)角度利用合成酵母中添加的SCRaMbLE系統(tǒng)，演示了合成酵母菌在外源代謝途徑途徑優(yōu)化、底盤細(xì)胞適配以及菌株耐受性提升等多個(gè)方面的應(yīng)用。此外，最近研究者以單細(xì)胞模式真核生物釀酒酵母為研究材料，利用天然含有16條線型染色體的單倍體細(xì)胞（BY4742），通過15輪的染色體融合，人工創(chuàng)建了只含有一條線型染色體的細(xì)胞（SY14）。在染色體的人工逐一融合過程中，刪除了 15個(gè)著絲粒、30個(gè)端粒、19個(gè)長重復(fù)序列。SY14細(xì)胞中染色體的遺傳性能穩(wěn)定，細(xì)胞形態(tài)和生長速率與野生型相似，可以進(jìn)行細(xì)胞之間交配、實(shí)現(xiàn)減數(shù)分裂。此外，在SY14基礎(chǔ)上，還創(chuàng)建了含有一條環(huán)型染色體的酵母（SY15）。SY15的轉(zhuǎn)錄譜和表型組數(shù)據(jù)與 SY14相似，但是細(xì)胞生長速率變慢，不能完成減數(shù)分裂。該工程強(qiáng)調(diào)對基因組的整體設(shè)計(jì)，包括消除基因組中的轉(zhuǎn)座子、重復(fù)序列等可能的冗余元件，同時(shí)加入一些特定的元件。人工設(shè)計(jì)的酵母可用來生產(chǎn)疫苗、藥物和特定的化合物，其進(jìn)一步應(yīng)用必將顯著提高其在工業(yè)生產(chǎn)、藥物制造等方面的效率與質(zhì)量。

（2） 人工合成底盤生物系統(tǒng)與定向設(shè)計(jì)代謝網(wǎng)絡(luò)。合成生物學(xué)的本質(zhì)是將來源于不同生物體的功能元件有機(jī)的組裝在一起，通過定向設(shè)計(jì)改造生物功能，以達(dá)到“建物致知”。在藥物合成方面，以放線菌藥物生產(chǎn)為例，放線菌是微生物藥物主要生產(chǎn)菌，只有利用合成生物學(xué)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)菌網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與系統(tǒng)優(yōu)化，才能達(dá)到藥物大規(guī)模高效生物合成；并進(jìn)一步通過產(chǎn)業(yè)示范應(yīng)用引領(lǐng)全球微生物制藥產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。第一，發(fā)展基因組重塑技術(shù)，解決人工細(xì)胞生物相容性、高效性、魯棒性和自身耐藥性等關(guān)鍵科學(xué)問題，構(gòu)建普遍適用的微生物藥物細(xì)胞工廠；第二，深入解析生物合成過程關(guān)鍵酶催化機(jī)制、同系物雜質(zhì)合成機(jī)制，建立合成元件的定向改造與優(yōu)化、合成過程限速步驟消除等關(guān)鍵合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)藥物生物合成路線重構(gòu)與優(yōu)化，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)；第三，系統(tǒng)解析藥物生物合成的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制，建立基于多組學(xué)表征的人工細(xì)胞發(fā)酵過程生理變化和對生物合成體系響應(yīng)的分析技術(shù)，通過動態(tài)網(wǎng)絡(luò)建模和定量模擬技術(shù)理解細(xì)胞代謝響應(yīng)和調(diào)控響應(yīng)的變化邏輯，重組基因回路，優(yōu)化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微生物藥物大規(guī)模高效生物合成。

2.4 智能生物系統(tǒng)對環(huán)境因子的感知及反饋

（1）分子識別與生物傳感器。針對環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測及醫(yī)療診斷應(yīng)用的需求，合成生物學(xué)技術(shù)可極大提升現(xiàn)有生物傳感體系的性能或賦予其新的功能，解決其高效性、靈敏性、穩(wěn)定性等方面問題。第一，多靶標(biāo)分子識別生物傳感系統(tǒng)。采用合成生物學(xué)的技術(shù)路線，精細(xì)調(diào)節(jié)其生物分子識別元件的化學(xué)計(jì)量及信號模塊的空間取向與密度，通過生物元件自組裝，構(gòu)建不同維度的生物納米模塊并實(shí)現(xiàn)多種生物標(biāo)識物識別的功能性載荷，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)、體內(nèi)和體外的多靶標(biāo)生物標(biāo)志物的快速靈敏測定，為腫瘤、代謝性疾病等重大疾病的早期診斷和診療、新發(fā)傳染性疾病的快速篩查、細(xì)胞內(nèi)代謝物及病原等多組分測定提供解決方案。第二，基于蛋白質(zhì)及核酸定點(diǎn)標(biāo)記的分子識別：實(shí)現(xiàn)嗅覺、味覺等生物傳感信號的可視化；人工設(shè)計(jì)非天然受體蛋白，實(shí)現(xiàn)特異分子識別；開發(fā)模型酶及核酸適體元件，開發(fā)多種化合物組份中特定化合物分子識別的生物傳感體系，在環(huán)境監(jiān)測、食品安全等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)、高靈敏度檢測；開展非天然氨基酸和非天然核苷酸定點(diǎn)插入酶或核酸適體的研究，拓展生物大分子的分子識別和信號傳導(dǎo)能力，解決分子識別與生物傳感的特異性、靈敏性等問題。

（2）智能生物響應(yīng)系統(tǒng)的構(gòu)建。近幾年來，隨著合成生物學(xué)的不斷發(fā)展，各種新的生物學(xué)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。其中，光遺傳學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，光遺傳學(xué)這一新興學(xué)科是通過在細(xì)胞內(nèi)導(dǎo)入遺傳編碼的光敏蛋白，利用光對細(xì)胞內(nèi)的分子活動直接進(jìn)行特異、快速、遠(yuǎn)程、可逆、定量、定位的實(shí)時(shí)控制。神經(jīng)科學(xué)是最早廣泛應(yīng)用光敏蛋白的領(lǐng)域，利用改造過的感光離子通道，可在毫秒量級內(nèi)，用光刺激激發(fā)或抑制特定類型神經(jīng)細(xì)胞的活動，從而能準(zhǔn)確地探索不同類型的細(xì)胞在神經(jīng)環(huán)路中的作用。例如，用激光控制斑馬魚（Barchydanio reriovar）的心臟跳動，用光控制秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的運(yùn)動方向，用光改變小鼠抑郁癥行為。在糖尿病防治方面，研究者利用光控基因表達(dá)系統(tǒng)控制細(xì)胞胰島素分泌，實(shí)現(xiàn)胰島素相對遠(yuǎn)程控制。光遺傳學(xué)的基因元件具有極快的響應(yīng)速度與定量性，為合成生物學(xué)的研究提供了重要的新工具。

（3）污染物高效降解智能微生態(tài)系統(tǒng)。深度挖掘可有效降解有機(jī)污染物的微生物資源，從各種污染存在的環(huán)境，如垃圾填埋場、石化廢水污染等地區(qū)取樣，富集培養(yǎng)篩選能夠高效、快速、徹底降解對應(yīng)污染物的微生物；或利用不依賴于培養(yǎng)的宏基因組技術(shù)，直接從所取樣品中提取環(huán)境微生物組DNA，并開展測序、差異比對和功能分析工作，以獲取污染物降解關(guān)鍵功能模塊，進(jìn)一步整合合成生物學(xué)和菌群調(diào)控技術(shù)構(gòu)建智能高效降解微生態(tài)系統(tǒng)。綜合考慮微生物的相互作用、環(huán)境安全、基因水平轉(zhuǎn)移等因素，根據(jù)“菌群仿生”的思路提高人工微生態(tài)系統(tǒng)的效率、安全性和穩(wěn)定性，并對該人工生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)庫化處理，以及建立相應(yīng)的篩選評價(jià)系統(tǒng)。

3 合成生物學(xué)領(lǐng)域未來的主要研究方向和科學(xué)問題

3.1 未來合成生物學(xué)的主要研究方向

未來應(yīng)從“先進(jìn)使能技術(shù)”“設(shè)計(jì)和構(gòu)建生物功能元件”“人工設(shè)計(jì)與合成生物體系”以及“智能生物系統(tǒng)對環(huán)境因子的感知及反饋”等方面作為主要研究方向。

（1）先進(jìn)使能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。內(nèi)容包括：① 基因合成、基因編輯、基因組裝新技術(shù)；② 基因密碼子擴(kuò)展及應(yīng)用（利用非天然氨基酸設(shè)計(jì)關(guān)鍵酶等）。

（2）人工合成生物體系的建立和重構(gòu)。內(nèi)容包括：① 基于合成生物對生命基礎(chǔ)規(guī)律進(jìn)行理解和探索（人造生命體基因組合成等）；②

人造細(xì)胞重構(gòu)原理及進(jìn)化機(jī)制（人工多細(xì)胞體系，包括動物、植物、微生物等）。

（3）生物元件挖掘及合成生物的高效應(yīng)用。內(nèi)容包括：① 代謝網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及其與底盤的適配性；② 合成天然及非天然產(chǎn)物（藥物、生物材料等）。

（4）智能生物系統(tǒng)對環(huán)境因子的感知及反饋。包括人工體系在光遺傳學(xué)、抗逆、生物傳感等方面的智能調(diào)節(jié)。

3.2 未來“合成生物學(xué)”重點(diǎn)關(guān)注的科學(xué)問題

具體而言，未來3～5年合成生物學(xué)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下7個(gè)科學(xué)問題，通過多學(xué)科交叉開展原創(chuàng)性研究。

（1）生物元件及隱性生物合成途徑的挖掘與表征。以生物合成為基礎(chǔ)揭示與闡明關(guān)鍵化學(xué)規(guī)律；生物元（器）件（群）在分子水平的精確表征與規(guī)范；建立高質(zhì)量的重組微生物生產(chǎn)體系庫及基因元件庫；以生物元件為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)生物合成精準(zhǔn)調(diào)控。

（2）智能元器件及生物合成體系的設(shè)計(jì)及定向進(jìn)化?；诠δ芑蚝驼{(diào)控機(jī)制開發(fā)挖掘智能元件與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；人工定向進(jìn)化制造功能定制型生物元件；動態(tài)網(wǎng)絡(luò)建模解析并優(yōu)化生物合成體系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；根據(jù)需求重建代謝網(wǎng)絡(luò)生物體系與智能合成系統(tǒng)。

（3）功能分子人工合成通路及其與底盤的適配性。通過DNA組裝及合成，對底盤細(xì)胞進(jìn)行基因編輯，優(yōu)化元件線路與底盤細(xì)胞；利用代謝工程及系統(tǒng)生物學(xué)方法對現(xiàn)有代謝通路進(jìn)行人工改良；挖掘合成生命的系統(tǒng)集成與適配性規(guī)律；闡明生物底盤系統(tǒng)與外源元件交互作用理論。

（4）智能化環(huán)境影響的合成生物體系。挖掘抗逆相關(guān)基因元器件，實(shí)現(xiàn)抗逆微生物人工代謝網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；生物傳感器識別開關(guān)元器件構(gòu)建與感知；智能微生物調(diào)節(jié)引擎，pH控制器，抗氧化防御系統(tǒng)，抗逆等環(huán)境適應(yīng)性調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)與組裝。

（5）基于合成生物體系的生物學(xué)機(jī)理研究。酶催化反應(yīng)機(jī)理研究、酶的定向進(jìn)化與新酶創(chuàng)制；酶序列結(jié)構(gòu)功能的整合分析；探究調(diào)控因子的作用機(jī)理和改造機(jī)制，實(shí)現(xiàn)從單基因分子進(jìn)化到多基因分子進(jìn)化的技術(shù)突破；探究調(diào)控因子的作用機(jī)理和改造機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高效合成微生物體系的構(gòu)建策略。

（6）人工合成生物體系新模式的塑造。人工設(shè)計(jì)、合成以及改造微生物（生物體）基因組；從全基因組水平揭示遺傳物質(zhì)發(fā)揮功能的生物學(xué)機(jī)制、遺傳信息的傳遞與調(diào)控；有目的地設(shè)計(jì)和改造生命體，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。

（7）人工生物體系構(gòu)建與運(yùn)行的新技術(shù)新方法。基因合成、基因編輯和基因組裝技術(shù)的開發(fā)與推廣；基因密碼子擴(kuò)展和應(yīng)用（利用非天然氨基酸設(shè)計(jì)關(guān)鍵酶等）；生物大分子的定向進(jìn)化與人工設(shè)計(jì)；關(guān)鍵調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與多重調(diào)控通路交叉協(xié)同機(jī)制的建立；基因回路設(shè)計(jì)的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化；探索新的生物合成路徑編輯改造優(yōu)化方法。

致謝第193期“雙清論壇”共同主席趙國屏院士、鄧子新院士、張先恩研究員、馮雁教授，以及出席論壇的所有專家學(xué)者共同凝煉了“合成生物學(xué)”領(lǐng)域未來3～5年的前沿研究方向和重點(diǎn)關(guān)注的科學(xué)問題，深表謝忱。

（摘自《中國科學(xué)基金》2018年第5期）