合成生物學的發(fā)展與展望

關鍵詞： 合成生物學；高分子材料；醫(yī)藥；食品；能源

中圖分類號： Q819 文獻標志碼： A

合成生物學以應用性為導向、工程化為理念，對具體生命過程及體系進行全視角、多維度研究，被譽為繼“DNA 雙螺旋結構的發(fā)現”和“人類基因組計劃”的第三次生物技術革命。它一般通過“自下而上”和“自上而下”兩條途徑進行合成，應用廣泛涉及到醫(yī)藥、健康、環(huán)境以及能源等領域，已經逐步發(fā)展為人類健康和生命科學集成式發(fā)展的重要動力。本文綜述了合成生物學的發(fā)展進程，并通過探討其在各個領域的最新研究成果，揭示了合成生物學如何通過基因編輯高效制備功能性材料，從而解決了傳統(tǒng)方法面臨的技術挑戰(zhàn)。本文旨在為合成生物學的研究和應用提供有價值的見解，為未來合成生物學的研究提供借鑒。

1 發(fā)展進程

上世紀初，法國生物學家勒迪克首次提出“合成生物學”一詞，但是由于認知和科技水平的局限性，當時的合成生物學并未得到發(fā)展。直到2000年，在大腸桿菌中利用基因元件構建“邏輯線路”，正式確立了合成生物學的開端[1-3]。2003年，采用異源基因元件在大腸桿菌底盤細胞中構建青蒿素前體合成線路的成功[4]，標志著合成生物學領域特征的研究手段和理論基本形成。隨著化學、物理、數學、計算科學的進步，特別是基因組編輯技術突飛猛進[5]，人們在設計、構建、測序和學習DNA遺傳元件上變得比以往更加高效，合成生物學因此取得了重大突破（圖1）。2010 年，克雷格·文特爾課題組[6] 用合成生物學的方法制備了生命體“辛西婭”，為真正自下而上設計生命奠定了基礎，也使合成生物學進入了蓬勃發(fā)展階段。2018年，我國覃重軍課題組[7]用基因編輯的方法，將釀酒酵母中16條天然染色體合成為1 條，創(chuàng)建了國際首例人造單染色體真核細胞，實現“人造生命”的重大突破（圖2）。2019年，Chin 團隊[8] 人工合成并替換了全部的大腸桿菌基因成功構建一株只有61 個密碼子的大腸桿菌，為重編碼多種非標準氨基酸奠定了基礎。2021年，AlphaFold 模型[9] 的建立大大加速蛋白質結構破解進程，是AI 在生命科學領域的重大進展，其預測的蛋白質結構已達到原子精度，可與實驗測得的結構相吻合。然而，合成生物學由于影響因素眾多，理性設計十分困難。為了實現合成生物學的“可預測性”設計，解決合成過程中影響因素過多的問題，就必須建立定量關系、發(fā)展定量理論。2021年，在北京香山召開的以“定量合成生物學”為主題的學術討論會（香山科學會議第S64 次學術討論會） 將定量合成生物學作為定量生物學和合成生物學的交叉學科被正式提出。利用人工智能可以代替人為想法，重新優(yōu)化和創(chuàng)造途徑，設計出全新的反應和合成路徑，并且可以進行自動化試錯，結合實驗的定量表征，有望更好實現設計生命、合成生命的重大目標[10]。2021 年，Ellis 等[11] 提出了10項在未來具有發(fā)展?jié)摿Φ暮铣缮飳W研究領域，包括制造人造細胞、全細胞模擬物和多細胞系統(tǒng)等在內的工程項目以及使用自動化、機器學習和精確控制進化的工程生物學新方法，明確了目前合成生物學存在的不足，并探討了合成生物學未來發(fā)展的方向。

人造細胞是合成生物學中的一個重要研究方向，指通過“自下而上”的方法重建細胞或類細胞結構，實現細胞的功能仿生。構建人造細胞往往需要制備人工細胞膜和類細胞器結構，而且所制備的人工細胞應當具有自我復制能力。細胞膜的結構和功能在細胞的形成中起著重要作用，然而由于細胞膜結構的復雜性，直接研究細胞膜的活動非常困難。本課題組提出了以聚合物囊泡為模型膜，通過研究聚合物囊泡的刺激響應性變形過程來模擬天然細胞的生命運動，成功實現了仿細胞融合[12]、分裂[13]、聚集[14] 以及自振蕩過程[15]。相關研究工作有助于更好地了解自然細胞的工作原理，為人造細胞研究提供了新思路。

2 應用領域

全球氣候變暖以及不可再生資源過度開采破壞了生態(tài)平衡，使人類的生存環(huán)境受到威脅。在可持續(xù)發(fā)展的大勢下，綠色低碳技術迎來巨大發(fā)展機遇。《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）簽訂至今，已有中國、美國、日本、印度、俄羅斯、歐盟等50 多個國家或地區(qū)相繼宣布在2060 年前后實現碳中和的目標。作為21世紀生物學的新興學科，合成生物學給生物技術產業(yè)帶來了巨大變革，也是實現碳中和目標的重要技術手段，引起科學界和政府的高度重視。目前，合成生物技術已經在高分子材料領域、化工領域、生物醫(yī)藥領域、食品領域以及能源領域取得重要研究成果。

2.1 高分子材料

合成生物學為高分子材料的設計提供了新思路。將合成生物學應用到高分子材料的合成可以直接獲得具有獨特性質且用化工手段難以合成的大分子材料，例如利用細菌自身的代謝通路可以直接進行高分子材料的合成。許平課題組[16] 利用藍藻細胞做底盤細胞，以二氧化碳為原料，直接合成可降解的聚乳酸。這項研究可解決塑料污染問題，而且在減碳的同時實現高值產品的制造（圖3）。陳國強課題組[17] 通過改造細菌β-氧化途徑，成功提升了聚羥基脂肪酸酯的產量和性能。Rawson 課題組[18] 利用細菌的代謝過程發(fā)展了細菌介導的鐵催化可逆失活自由基聚合（RDRP），提供了一種細菌在“宿主”細胞中進行氧化還原反應生成“人造”聚合物的方法，建立了制備天然-合成生物高分子雜化材料的可能性。

合成生物學不僅可以制造出已存在的物質，而且可以創(chuàng)造出具有獨特性能的全新物質，如通過基因模塊化進行材料的理性設計。Lu 等[19] 借助合成生物學技術將大腸桿菌生物膜的主要結構蛋白（CsgA）和貽貝的主要黏合蛋白（Mgfp3/5）進行融合表達，該融合蛋白同時具有內在黏合性與界面黏合性，展現出強大的水下黏合特性。張福中等[20] 在前期研究淀粉樣蛛絲聚合蛋白的基礎上，用微生物對單體分子進行聚合生產高分子量的肌動蛋白，并將其紡織成纖維，其出色的力學性能超過了大部分人工合成材料以及天然材料[21]（圖4）。吳俊俊等[22] 研究了一種通用性蛋白自組裝方法，將來源于酵母的短肽與重組蛋白相融合，可使得任意重組蛋白自組裝成為具有超分子結構的納米短肽，進而形成同時具有大分子透明質酸、膠原蛋白、彈性蛋白、貽貝蛋白等各個明星分子特性的超分子水凝膠[23]。

利用合成生物學也可以獲得用于聚合的單體分子，聚合后得到性能出色的聚合物[24]。Kaneko 課題組[25]對大腸桿菌進行基因重組，再利用它使糖分發(fā)酵，利用生物方法制造出“4-氨基肉桂酸”，再通過聚合制成聚酰胺薄膜。這種薄膜難以燃燒，能夠耐受390～425 ℃ 的高溫。Helms 課題組[26] 對大腸桿菌進行改造，使其將植物中的糖轉化為三乙酸內酯（TAL）分子，然后將TAL 分子與其他分子共聚得到聚二酮烯胺塑料。由于原料為可再生資源，與傳統(tǒng)的塑料制作方法相比更加環(huán)保。目前人們對微生物的很多代謝通路和調控機制尚不清晰，對材料的設計途徑受到一定的限制，未來可以利用合成生物學進行更復雜高分子的設計合成，精確調控材料的尺寸、形貌以及化學組成，從而探索出功能優(yōu)異的新材料。

2.2 化工

隨著資源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出，采用可再生生物質或經由生物制造得到的原料，通過生物、化學、物理等手段制造的一類新型材料是必由之路。以淀粉、秸稈等生物質資源為原料，能在很大程度上改善環(huán)境污染問題甚至實現“負碳”。合成生物學在生物基材料的制備方面具有重大優(yōu)勢。通過合成生物學重構遺傳路線與代謝途徑，高效轉化碳元素進行基本原料的生物合成，如利用可再生資源通過細胞工廠合成具有多種用途的有機小分子單體（丁二酸、D-乳酸等）的技術已經成熟。對微生物進行改造，采用各種一碳化合物（CO、CO₂、CH₄、CH₃OH、HCOOH） 為原料合成多種化工原料[27-30]（圖5），可以降低現代化工對傳統(tǒng)化石資源的依賴，實現綠色、可持續(xù)發(fā)展。聚酯、聚氨酯、聚酰胺等高分子化工材料合成所需的脂肪族二元胺也可以通過合成生物學的方法獲得。利用合成生物學策略對大腸桿菌、谷氨酸棒狀桿菌等菌株進行改造，提升了生物合成二元胺的效率，為生物基二元胺的產業(yè)化提供可能。利用生物體也可以直接制備無機納米材料，Park 等[30] 用大腸桿菌合成鋅化鎘、硒化鎘等多種納米顆粒，通過改變金屬離子的初始加入量可以調節(jié)納米顆粒粒徑，且合成的納米顆粒具有優(yōu)良的物理、化學以及電學性能。

2.3 生物醫(yī)藥

生物醫(yī)藥是合成生物學應用最多的領域，涉及細胞免疫療法、微生態(tài)療法、基因編輯、體外檢測和藥物成分生產等多方面。合成生物學的發(fā)展提高了藥物靶點發(fā)現、藥物篩選以及后續(xù)藥效研究等階段的效率，革新了相關技術[31]。目前，合成生物學主要應用在靶點尋找、藥物分子合成、制劑開發(fā)、毒理學等方面，極大加速了新藥研發(fā)進程。天然產物的新藥研發(fā)一直是新藥研發(fā)領域的熱點[32]，但傳統(tǒng)的藥物研發(fā)周期過長，研發(fā)速度跟不上疾病的發(fā)展進程，比如從微生物中自然篩選出一種抗生物新藥平均需要超過10 年。相比而言，合成生物學對新藥的設計具有明顯優(yōu)勢，可以省去復雜的有機合成步驟并解決產物合成的手性選擇性問題，實現優(yōu)于或超越自然的設計。目前的成果集中在植物來源萜類化合物的生物合成方面，如青蒿素、紫杉醇、番茄紅素、銀杏內酯等多種藥用活性成分。同時對同類藥物的合成基因簇進行編輯可實現老藥新品系列批量產生，如通過研究生物合成卡那霉素和慶大霉素的途徑，理性設計產生候選新藥——慶卡霉素，所獲得的系列新結構衍生物活性更優(yōu)，耐藥性降低[33]。合成生物學還可以擺脫傳統(tǒng)化學和酶法的限制，實現大健康產品或中間體的合成，如通過途徑設計成功實現假尿苷的生物發(fā)酵合成，合成方法更加高效且經濟環(huán)保。默克公司對節(jié)桿菌屬的R 擇性轉氨酶進行了定向進化，開發(fā)了一種新的合成糖尿病藥物 Januvia 的方法，實現了對映體過量百分數大于99.95%。Qiu 等[34] 構建了以菊粉為原料高效生產γ-聚谷氨酸的菌株，為開發(fā)更多的谷氨酸衍生物開辟了道路。目前，合成生物學已在感染性疾病、代謝性疾病、神經退行性疾病和癌癥等多個領域進行了初步嘗試，并顯示出較為理想的治療效果，特別是在合成疫苗方面，通過了解病毒的基因組直接設計得到基因組密碼子去優(yōu)化疫苗、DNA 和RNA 疫苗[35，36]（圖6），給研究人員提供了更廣的設計空間，大幅度縮短了疫苗的研發(fā)周期。

2.4 食品

合成生物學在食品工業(yè)的應用分為主要食品成分（蛋白質、糖類、油脂）和輔助食品成分（氨基酸、維生素、色香味成分）兩大類。借助細胞工廠進行食品的合成提高了土地利用效率、節(jié)約了水資源、減少了農藥和化肥的使用。同時，合成生物學的食品制造過程受自然環(huán)境的影響較小，可以更加容易控制食品的質量標準、改善食品的營養(yǎng)含量、賦予食品新型功能。如今合成生物學已廣泛應用于類胡蘿卜素、甲萘醌-7 和人乳寡糖等功能性食品的生物合成[37]。在發(fā)酵食品方面，合成生物學可以通過創(chuàng)建半合成微生物群落來重建傳統(tǒng)的發(fā)酵食品生產，同時控制發(fā)酵過程使食品更加健康。值得關注的是，2021年，馬延和課題組[38] 成功利用合成生物學技術，以二氧化碳為原料合成出“人造淀粉”，完成了從“0 到1”的突破，對未來的糧食生產具有革命性影響（圖7）。

2.5 能源

隨著合成生物學的逐步成熟，在全球可持續(xù)發(fā)展的趨勢下，包括纖維素乙醇、高級醇、脂肪烴、生物沼氣、生物氫和生物電在內的新一代合成生物能源技術逐步發(fā)展[39]。生物化纖、生物塑料、生物尼龍、生物燃料已成功合成，基于合成生物學的生物基材料正在逐步替代石油基材料。

通過生物法合成高能量密度的異丁醇受到了廣泛重視，該材料可直接用于現有發(fā)動機和其他燃油設備，被認為是可替代汽油的新一代生物燃料[40-43]。2008年，Liao 團隊[41] 在大腸桿菌中成功構建了異丁醇的合成途徑，實現了高達86% 理論轉化率的異丁醇合成。最近，合成生物學在能源方面的成果不斷涌現。Yang 等[42]通過轉基因工程改造細菌，從而合成生物燃料蒎烯，有望替代石油中提煉的四氫雙環(huán)戊二烯（JP-10），可用于導彈發(fā)射甚至促進新一代發(fā)動機的開發(fā)。與化石能源相比，通過發(fā)酵工程將可再生生物質轉化為燃料，可以減少碳排放，且為發(fā)展清潔、綠色、可持續(xù)的物質生產模式奠定基礎。世界各主要經濟體均把發(fā)展合成生物能源視為保障能源安全、環(huán)境質量和經濟發(fā)展的重要戰(zhàn)略選擇，合成生物技術正在成為經濟可持續(xù)發(fā)展的核心動力。氫氣憑借清潔、熱值高、可再生等優(yōu)勢，有望成為未來最理想的能源。然而，傳統(tǒng)的制氫過程成本較高，一直以來是限制商業(yè)化應用的關鍵因素，利用合成生物學可以抑制氫化酶的氧敏感性和競爭代謝途徑，從而提高萊茵衣藻的產氫效率[40， 43]（圖8），有望實現生物制氫的商業(yè)化。

3 產業(yè)化進程

當前全球對于環(huán)保、清潔、可再生的生產方式需求日益增長，用生物合成方式替代傳統(tǒng)化工合成在未來有著巨大的前景。通常意義上的合成生物學公司是利用工程學思維改造生命體或相關生命元素，從而生產出產品的公司。由于合成生物學產業(yè)生態(tài)覆蓋面龐大，且都有相當的市場規(guī)模，可以將整個合成生物學產業(yè)分為大致的上、中、下游。其中，上游開發(fā)使能技術，包括DNA/RNA 合成、以及同數據相關的技術和服務；中游是對生物系統(tǒng)和生物體進行設計、開發(fā)的技術平臺；下游是應用開發(fā)和產品落地（圖9）。上游產業(yè)突破帶動行業(yè)加速發(fā)展，促進了中、下游應用企業(yè)的發(fā)展。

2020年，麥肯錫發(fā)布的報告中提到，全球約60% 的產品可以采用合成生物學進行生產，預計在2030～2040 年，合成生物學產品每年可以帶來約2～4 萬億美元的直接經濟影響。隨著合成生物學的三大底層技術（基因測序、基因編輯、基因合成）逐漸成熟，技術成本快速下降。大量初創(chuàng)公司的出現帶動了資本市場對合成生物學的關注。據合成生物學創(chuàng)新平臺（SynBioBeta）統(tǒng)計，2016 年全球合成生物學概念的投資總額不足20 億美元，2020 年達到了78 億美元，并且約80 家合成生物學公司成功上市。全球各國針對生物制造的投入不斷增加，加速了合成生物學產業(yè)化的進程。

我國自2006年起就已經重視合成生物學的發(fā)展，在“十二五”期間，合成生物學的研究項目分別被列入國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“973”計劃）和國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）。“十三五”期間，合成生物學作為戰(zhàn)略前瞻性重大科學問題和前沿共性生物技術《“十三五”生物技術創(chuàng)新專項規(guī)劃》，國家出臺了一系列政策給予支持。2018 年，科技部啟動實施國家重點研發(fā)計劃“合成生物學”重點專項。此后，國家越來越重視合成生物學的發(fā)展，在國家發(fā)改委發(fā)布的《“十四五”生物經濟發(fā)展規(guī)劃》中，合成生物學被多次提及，表明國家對合成生物學的重視及推動合成生物學成果應用的決心。目前，中國已有幾十家合成生物學公司成立，其中華恒生物和凱賽生物已成功上市。中國合成生物學的投融資數量及融資金額呈不斷上漲的趨勢。

4 結語與展望

合成生物學具有綠色、清潔和可再生的優(yōu)點，符合可持續(xù)發(fā)展的趨勢，已經在高分子材料、化工、生物醫(yī)藥、食品以及能源領域取得應用，并展示出獨特優(yōu)勢。然而、當前合成生物學的原料和產物有限、元件少、效率低、研發(fā)周期較長，導致技術成本較高，產品競爭力差，造成合成生物學在產業(yè)化方面出現困境。生物制造從實驗室到真正產業(yè)化，面臨著大量涉及學科交叉的難題，迫切需要生物工程、化學工程、發(fā)酵工程等學科的交叉，通過對反應器進一步的優(yōu)化和設計，才能實現產品的高效、低成本、規(guī)?；a，從而在與傳統(tǒng)產業(yè)的競爭中取得優(yōu)勢。同時，國家的相關法規(guī)在一定程度上限制了合成生物學的應用[45]，如合成生物學公司所生產的天然存在于食物中的谷胱甘肽和麥角硫因不在《食品安全國家標準食品添加劑使用標準》（GB2760—2014）中，不能作為食品添加劑應用于食品領域。此外，合成生物學的良性發(fā)展也是其面臨的一個重大問題。一方面，合成生物學的發(fā)展離不開各國政府的有效監(jiān)管，各國政府應盡快在道德倫理、技術規(guī)范和安全風險方面達成共識，避免合成生物學脫離發(fā)展軌道，濫用于軍隊開發(fā)和武器研究，危害人類社會的安全穩(wěn)定；另一方面，科研人員要做好合成生物學的科普工作，避免公眾對其誤解或恐慌，全民科學素質的提升有利于未來合成生物學的發(fā)展。

合成生物學的發(fā)展已進入第3 個十年，有望逐步向理性設計的方向發(fā)展。同時，隨著基因測序、基因編輯、計算機模擬建模、人工智能等技術的發(fā)展，新的基因代謝路徑將會被設計出來，大量的與人類生活密不可分的產品將會通過生物合成的方式生產。隨著科技的發(fā)展，合成生物學的生產成本有望進一步降低，實現高效低成本生產，從而在市場競爭中占有優(yōu)勢，更好解決人類目前所面臨的能源短缺、環(huán)境污染等問題。