趙國屏

自然科學(xué)是研究自然現(xiàn)象和自然界各種物質(zhì)形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其運動和發(fā)展的各門學(xué)科的總稱，包括天文學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地學(xué)和生物學(xué)等。數(shù)學(xué)因其研究對象的特殊性（從自然到社會的一切“數(shù)”的問題的抽象）和思維邏輯的特殊性（形式邏輯的“自洽”），不屬于自然科學(xué)范疇，卻是各門學(xué)科的重要基礎(chǔ)。物質(zhì)存在和運動的狀態(tài)可以從空間、時間兩個維度來觀測和研究，因此，自然科學(xué)各學(xué)科也可以在這兩個維度上“劃分”各自的領(lǐng)域。

與各門學(xué)科一樣，生物學(xué)起步于觀測和描述。由于生命現(xiàn)象自身的復(fù)雜性，19世紀(jì)末，雖然人們在以往對生物及生物運動（如，生長、生殖、發(fā)酵等）觀測與研究的基礎(chǔ)上，開始對細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識、對遺傳規(guī)律的抽象、對生物進(jìn)化概念的理解上有了革命性的突破，但生物學(xué)尚未能實現(xiàn)在整體上向研究其普遍的構(gòu)成本質(zhì)及運動規(guī)律的“生命科學(xué)”的飛躍。20世紀(jì)上半葉，微觀層面的生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)，宏觀層面的生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)等的形成與發(fā)展，推動生物學(xué)從以分類描述為特征的傳統(tǒng)科學(xué)向以機制研究為核心的現(xiàn)代科學(xué)轉(zhuǎn)變。以此為基礎(chǔ)，20世紀(jì)中葉以來，生命科學(xué)研究在技術(shù)、認(rèn)知和能力方面接連爆發(fā)了“分子生物學(xué)”“基因組學(xué)”和“會聚”研究3次革命。

“生命是什么？生命如何起源，又如何演化？”這既是涉及人類健康生存與繁衍、社會發(fā)展與和諧的基本科學(xué)問題，也是人類每個文明體系都必須回答的哲學(xué)問題。盡管以還原論為主導(dǎo)的現(xiàn)代生命科學(xué)技術(shù)，特別是以DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解析為基礎(chǔ)的分子遺傳學(xué)研究，確定了生命運動的“中心法則”（central dogma），又通過以基因組全面解析以及相關(guān)“組學(xué)”數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)生物學(xué)分析，對生物體組成和生命運動規(guī)律的認(rèn)識達(dá)到了前所未有的深度和精度，但是對生命起源、演化（進(jìn)化）以及生命本質(zhì)的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。21世紀(jì)初，工程學(xué)思想策略與現(xiàn)代生物學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)及合成科學(xué)的融合，形成了以采用標(biāo)準(zhǔn)化表征的生物學(xué)部件，在理性設(shè)計指導(dǎo)下，重組乃至從頭合成新的、具有特定功能的人造生命為目標(biāo)的“合成生物學(xué)”。合成生物學(xué)的崛起，突破了生物學(xué)以發(fā)現(xiàn)描述與定性分析為主的所謂“格物致知”的傳統(tǒng)研究范式，為生命科學(xué)提供了“建物致知”的嶄新研究思想，開啟了可定量、可計算、可預(yù)測及工程化的“會聚”研究新時代。它不僅將人類對生命的認(rèn)識和改造能力提升到一個全新的層次，也為解決與人類社會相關(guān)的全球性重大問題提供了重要途徑。

1 合成生物學(xué)的內(nèi)涵

合成生物學(xué)區(qū)別于其他傳統(tǒng)生命科學(xué)的核心，是其“工程學(xué)本質(zhì)”，主要體現(xiàn)在兩個方面。① 其“自下而上”的正向工程學(xué)“策略”。因此，元件標(biāo)準(zhǔn)化→模塊構(gòu)建→底盤適配，包括對生命過程的途徑、網(wǎng)絡(luò)的組成及其調(diào)控的認(rèn)識及“正交化生命”的設(shè)計與構(gòu)建，是其最核心的研究內(nèi)容；而人工線路（包括新一代的“代謝工程”）的構(gòu)建，就是其最重要的工程化平臺。②

目標(biāo)導(dǎo)向的構(gòu)（重構(gòu)）建（建造）“人造生命”。因此，“自上而下”地構(gòu)建“最小基因組”或“自下而上”地合成“人工基因組”，是合成生物學(xué)另一個最核心的研究內(nèi)容；大片段基因組操作和改造，以及大規(guī)模、高精度、低成本DNA合成，是其最重要的兩大使能技術(shù)；而基因組（包括原型細(xì)胞的合成等“細(xì)胞工程”）的構(gòu)建，是其最重要的工程化平臺。這兩個方向，基本抓住了合成生物學(xué)的工程化研究所包含的“定量生物學(xué)”“分子生物學(xué)”與“系統(tǒng)生物學(xué)”等會聚來源的本質(zhì)，原則上是比較全面和準(zhǔn)確的；當(dāng)然，我們也可以在下述3個方向上更具體地闡述其內(nèi)涵。

1.1 工程學(xué)內(nèi)涵

合成生物學(xué)內(nèi)涵的核心，是它的“會聚特性”。合成生物學(xué)會聚了科學(xué)研究帶來的“發(fā)現(xiàn)能力”，工程學(xué)理念帶來的“建造能力”以及顛覆性技術(shù)帶來的“發(fā)明能力”，從而全面提升社會的“創(chuàng)新能力”。合成生物學(xué)的工程學(xué)內(nèi)涵就是，在人工設(shè)計的指導(dǎo)下，采用正向工程學(xué)“自下而上”的原理，對生物元件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的表征，建立通用型的模塊，在簡約的“細(xì)胞”或“系統(tǒng)”底盤上，通過學(xué)習(xí)、抽象和設(shè)計，構(gòu)建人工生物系統(tǒng)并實現(xiàn)其運行的定量可控。

1.2 生物技術(shù)內(nèi)涵

合成生物學(xué)是在分子水平上對生命系統(tǒng)的重新設(shè)計和改造，線路工程、基因組工程、細(xì)胞代謝工程等是其核心的技術(shù)與工程展現(xiàn)。因此，在一定意義上，可以認(rèn)為合成生物學(xué)也就是生物技術(shù)在基因組和系統(tǒng)生物學(xué)時代的延伸。當(dāng)然，這種延伸有質(zhì)的飛躍。一方面，合成生物學(xué)將原有的生物技術(shù)上升到系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化的高度，有可能把生物技術(shù)推向平臺化的工程生物學(xué)層次。另一方面，在全基因組和系統(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ)上創(chuàng)建新生命體系的工程化生物技術(shù)，不僅能完成傳統(tǒng)生物技術(shù)難以勝任的任務(wù)，還將在學(xué)科交叉和技術(shù)整合的基礎(chǔ)上，孕育技術(shù)創(chuàng)新的飛躍。這就是合成生物學(xué)的生物技術(shù)內(nèi)涵。

1.3 科學(xué)內(nèi)涵

合成生物學(xué)從其發(fā)端到現(xiàn)在的實踐乃至將來的發(fā)展，還有另一層重要的內(nèi)涵，就是與“自上而下”的系統(tǒng)生物學(xué)相輔相成，從“合成”的理念和策略出發(fā)，突破生命科學(xué)傳統(tǒng)研究從整體到局部的“還原論”策略，通過“從創(chuàng)造到理解”的方式，開啟理解生命本質(zhì)的新途徑，建立生命科學(xué)研究的新范式。這就是合成生物學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵。

2 合成生物學(xué)學(xué)科發(fā)展及成果

合成生物學(xué)， 從20世紀(jì)初，由合成科學(xué)而得以“隱喻”（metaphor），到由分子生物學(xué)的科學(xué)知識與 DNA重組技術(shù)突破成為“愿景”（vision），直至現(xiàn)代在基因組藍(lán)圖基礎(chǔ)上、工程學(xué)理念介入而“定名”，進(jìn)而成為“會聚”研究的標(biāo)志，大體經(jīng)歷了3個階段。第一階段，創(chuàng)建時期（2000—2003年）：產(chǎn)生了許多具備領(lǐng)域特征的研究手段和理論，特別是基因線路工程的建立及其在代謝工程中的成功運用。第二階段，擴張和發(fā)展期（2004—2007年）：這一階段的特征是領(lǐng)域有擴大趨勢，但工程技術(shù)進(jìn)步比較緩慢。第三階段，快速創(chuàng)新和應(yīng)用轉(zhuǎn)化期（2008—2013年）：這一階段涌現(xiàn)出的新技術(shù)和工程手段使合成生物學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展，特別是人工合成基因組的能力提升到了接近 Mb（染色體長度）的水平，而基因組編輯技術(shù)出現(xiàn)前所未有的突破。

在此基礎(chǔ)上，2014年，美國科學(xué)院提出“會聚”研究為生命科學(xué)第三次革命，以使能技術(shù)的工程化平臺建設(shè)與生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的開源應(yīng)用相結(jié)合帶來的“工程生物學(xué)”（engineering biology），正在全面推動生物技術(shù)、生物產(chǎn)業(yè)和生物醫(yī)藥“民主化”發(fā)展的新階段，也可以說，是在實現(xiàn)人類“能力提升”的宏偉目標(biāo)上邁出了堅實的一步。

2.1 元件工程

合成生物學(xué)按照工程學(xué)的理念，將生命體系中發(fā)揮功能的最簡單、最基本的單元，統(tǒng)稱為生物元件（biological part），鑒于其生物大分子本質(zhì)，氨基酸序列（蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)）或者核苷酸序列（核酸的一級結(jié)構(gòu)）以及在序列上相關(guān)的修飾應(yīng)該是生物元件最基本的構(gòu)成。當(dāng)今“合成生物學(xué)”概念的提出，就是基于生物“元件”構(gòu)建人工邏輯“線路”的創(chuàng)新工作。在此基礎(chǔ)上，形成了合成生物學(xué)中“生物元件”的定義——“遺傳系統(tǒng)中最簡單、最基本的生物積塊（BioBrick），是具有特定功能的氨基酸或者核苷酸序列，可以在更大規(guī)模的設(shè)計中與其他元件進(jìn)一步組合成具有特定生物學(xué)功能的生物學(xué)裝置（device）”。隨著合成生物學(xué)研究領(lǐng)域的拓展，生物元件的內(nèi)涵已經(jīng)不再能局限于原先的“遺傳系統(tǒng)”，也不僅僅服務(wù)于利用“模式系統(tǒng)”以構(gòu)建線路工程?！吧镌敝蟹呛怂岵糠郑ㄌ貏e是非DNA部分，大部分就是蛋白質(zhì)多肽）在一般的生物學(xué)體系中，特別是在細(xì)胞體系中，基本都是由“基因”即DNA序列所編碼的。因此，“生物元件”中核酸序列的很大部分，就是編碼蛋白質(zhì)（其中既有發(fā)揮調(diào)控功能的蛋白因子，又有發(fā)揮結(jié)構(gòu)功能的結(jié)構(gòu)蛋白，還有大量具有催化功能的酶）的基因。

目前，生物元件主要來源于自然界，基于生物全基因組或轉(zhuǎn)錄組測序和信息挖掘的生物元件的篩選與鑒定是其研究主流。通過對基因組中的功能蛋白、轉(zhuǎn)錄和翻譯特征序列分析，可以得到豐富的啟動子、核糖體結(jié)合位點、蛋白質(zhì)編碼序列以及終止子等生物元件資源。在“調(diào)控元件”預(yù)測方面，已經(jīng)有FPROM、TSSG、SCOPE等軟件；在“功能元件”預(yù)測方面，也有Pfam等用于比對蛋白質(zhì)家族和結(jié)構(gòu)域的數(shù)據(jù)庫。然而，從DNA序列到其編碼元件的功能解讀和利用還存在巨大鴻溝，生物合成功能元件的鑒定往往非常困難且效率低。以紫杉醇在紅豆杉中合成步驟及相關(guān)“生物元件”的挖掘為例，從1997年揭示紫杉醇生物合成的第一步反應(yīng)，到現(xiàn)在已經(jīng)對后續(xù)步驟中涉及的8個細(xì)胞色素P450單加氧酶、5個?；?芳香基轉(zhuǎn)移酶以及1個氨基酸變位酶進(jìn)行了解析，但仍有 5個基因功能有待研究。這種關(guān)鍵生物元件的缺失直接導(dǎo)致了紫杉醇的合成生物學(xué)制造尚未實現(xiàn)。

為實現(xiàn)對目標(biāo)生物器件或生物系統(tǒng)的預(yù)測、設(shè)計、構(gòu)建與優(yōu)化，有必要對現(xiàn)有生物元件的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行改造。由美國科學(xué)家建立的蛋白質(zhì)的定向進(jìn)化技術(shù)（獲得2018年諾貝爾化學(xué)獎）目前仍然是生物元件改造的主要策略。構(gòu)建各種不同強度的啟動子文庫也是實現(xiàn)基因精確調(diào)控的有力工具，典型例子是在工程化的產(chǎn)番茄紅素菌株的優(yōu)化過程中，對釀酒酵母的TEF1啟動子改造，建立突變啟動子庫，得到一系列強度不同的突變啟動子，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究其中11個啟動子特性，發(fā)現(xiàn)這些突變啟動子活性是野生型的8%～120%。此外，通過改造大腸桿菌核糖體，可以利用大腸桿菌深入研究核糖體的機制，研究抗生素和核糖體的相互作用；如果進(jìn)一步擴展細(xì)胞的遺傳編碼方式，可以用這些工程改造的核糖體來合成新的多聚物，還可能將細(xì)胞轉(zhuǎn)化成多用途的“細(xì)胞工廠”。

當(dāng)然，更為吸引人及更具有挑戰(zhàn)意義的是設(shè)計合成自然界不存在的元件，例如，劍橋大學(xué)利用人造遺傳物質(zhì)合成出世界上第一個人工酶。隨著高性能計算技術(shù)、量子力學(xué)和分子動力學(xué)理論及方法學(xué)的發(fā)展，計算蛋白質(zhì)設(shè)計技術(shù)在核心元件酶催化設(shè)計方面發(fā)揮出巨大作用，使酶工程迎來發(fā)展新階段。例如，利用計算迭代方法從非活性蛋白質(zhì)支架HG-1為起始點計算，獲得的 8種設(shè)計酶均表現(xiàn)出顯著的催化活性，大幅提高了計算設(shè)計酶分子的成功率。最近，中國科學(xué)研究人員利用密碼子擴展方法，改造一個28 kD的熒光蛋白，成功模擬了天然光合作用系統(tǒng)的光能吸收，并將二氧化碳還原形成一氧化碳，為利用人工光合作用途徑、最終實現(xiàn)建立的能源獲取方式跨出了關(guān)鍵一步。

合成生物學(xué)“自下而上”的正向工程本質(zhì)決定了建立元件庫的必然性和至關(guān)重要性。在應(yīng)用實踐中，合成生物學(xué)的定量預(yù)測、精準(zhǔn)化設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)化合成與精確調(diào)控技術(shù)能力的提升，依賴于合成生物學(xué)工程化平臺和標(biāo)準(zhǔn)元件庫的支撐，以此推動實現(xiàn)利用合成生物學(xué)手段規(guī)模化高效率地解決生物工程問題，回應(yīng)社會需求。2012年建立的BioBricksTM元件庫，第一次從法律層面允許個人、公司及科研院校制作標(biāo)準(zhǔn)化生物元件，并在相關(guān)的協(xié)議架構(gòu)下進(jìn)行免費共享。當(dāng)然，在這個方向上，還有很長的路要走。

2.2 線路工程

合成生物學(xué)學(xué)科形成的標(biāo)志性工作就是人工基因線路的設(shè)計與合成。利用成熟表征的基因元件，按照電子工程學(xué)原理和方式設(shè)計、模擬，構(gòu)建簡單的、可被調(diào)控的基因線路模塊。這些簡單基因線路可被相對應(yīng)的簡單數(shù)學(xué)模型描述并利用環(huán)境信號加以調(diào)控，應(yīng)用這樣的模型，研究人員能夠?qū)ζ淠K設(shè)計方式進(jìn)行評估并可重設(shè)計、重合成，實現(xiàn)優(yōu)化。2000年，Gardner等構(gòu)建的基因撥動開關(guān)，是構(gòu)建具備設(shè)計功能的工程基因線路的開創(chuàng)性工作。Elowitz和Leibler設(shè)計的振蕩器，利用3個基因模塊彼此間的抑制和解抑制作用實現(xiàn)輸出信號的規(guī)律振蕩。Weiss和Basu建立了工程轉(zhuǎn)錄邏輯門的方法，并為線路的語言設(shè)計作出了重要貢獻(xiàn)。通過基因線路可以了解原核、真核生物基因表達(dá)和分子噪聲之間的關(guān)系，這也體現(xiàn)了合成生物學(xué)能夠幫助人們深化對基礎(chǔ)生物學(xué)的認(rèn)識。合成生物學(xué)1.0會議以后，提出通過構(gòu)建組合型基因線路，以提高生物系統(tǒng)的工程化水平的目標(biāo)。一些有關(guān)大腸桿菌信號線路和元件設(shè)計的研究，已將合成線路設(shè)計的范圍從以轉(zhuǎn)錄調(diào)控為主，擴大到轉(zhuǎn)錄后和翻譯調(diào)控。通過設(shè)計出群體感應(yīng)線路，開始用于多細(xì)胞模式的構(gòu)建。

工程設(shè)計和構(gòu)建方法的不斷優(yōu)化，加速了線路工程的發(fā)展進(jìn)程。在大腸桿菌中構(gòu)建的快速、具有魯棒性、可持續(xù)振蕩的基因振蕩子，是振蕩線路設(shè)計和理論研究方面的重大突破。哺乳動物細(xì)胞振蕩子的合成，首次在哺乳動物細(xì)胞中實現(xiàn)了對基因表達(dá)的周期性調(diào)控。合成具有計數(shù)功能的基因線路，利用重組酶介導(dǎo)的 DNA重排形成永久記憶，這是線路工程長期以來的一個目標(biāo)。在這期間，基于RNA的線路工程也不斷發(fā)展，生物傳感為RNA運算提供了方法，構(gòu)建出可用于對基因表達(dá)的邏輯進(jìn)行調(diào)控的RNA器件。

近幾年來，模塊、線路設(shè)計能力不斷提升，以單基因簇為單位對基因邏輯線路進(jìn)行優(yōu)化，可將原核生物的基因線路移植到真核細(xì)胞中；利用細(xì)胞之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制來調(diào)節(jié)多種細(xì)胞的基因表達(dá)，實現(xiàn)了雙信號偶聯(lián)的正、負(fù)反饋循環(huán)。合成線路賦予細(xì)胞更強大的功能，有力促進(jìn)了蛋白質(zhì)線路在生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用；Andrews等通過定量手段在細(xì)胞內(nèi)設(shè)計可組合的具有反饋回路的時序邏輯，代表著在細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行高級計算的研究邁出了關(guān)鍵一步。

2.3 代謝工程

代謝工程研究的主要目的是通過對底盤（體外—分子機器；體內(nèi)—細(xì)胞工廠）代謝途徑或網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、改造、構(gòu)建，使其能夠產(chǎn)生符合人類要求的產(chǎn)物，并逐步提高其效率。由于細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，很難從上千個代謝基因及其調(diào)控線路中找到合適的改造靶點，而通過對大規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)的計算分析，設(shè)計出特定生物產(chǎn)品的最優(yōu)合成途徑，可以幫助人們找出合適的代謝工程改造策略，更快地得到適合的菌株。最具代表性的工作就是對青蒿素前體途徑的工程化優(yōu)化構(gòu)建（包括元件的適配），最終形成優(yōu)化的酵母青蒿酸合成途徑，并授權(quán)賽諾菲（Sanofi）公司生產(chǎn)，成為合成生物學(xué)應(yīng)用于實踐的一個重要里程碑。2015年，研究人員又在酵母中實現(xiàn)阿片類藥物全合成，這是目前在微生物中構(gòu)建的最長的植物天然化合物代謝途徑。

代謝工程已達(dá)到構(gòu)建可預(yù)測合成途徑模型的水平，能夠利用有關(guān)宿主細(xì)胞代謝體系的信息，結(jié)合所有已知、預(yù)測的酶功能信息，來確定感興趣的代謝途徑。通過基因組挖掘獲得的外源酶功能信息，對模型途徑進(jìn)行正向工程改造，填補宿主細(xì)胞代謝體系的空白。多家團(tuán)隊在大腸桿菌底盤基礎(chǔ)上，改變其氨基酸生物合成途徑，成功地產(chǎn)出異丁醇、脂肪酸類生物柴油、汽油，以及生物塑料 1,4-丁二醇。研究人員還將合成調(diào)控通路整合到生產(chǎn)株系中，實現(xiàn)了代謝途徑隨代謝中間產(chǎn)物或環(huán)境條件的動態(tài)調(diào)控。當(dāng)然，如何使工程線路在與細(xì)胞系統(tǒng)的互作中進(jìn)行代謝流的動態(tài)調(diào)控，仍然是代謝工程要面對的挑戰(zhàn)之一。

隨著我國在能源材料、環(huán)境生態(tài)和人民健康方面的需求不斷增長，迫切期望利用合成生物學(xué)技術(shù)提高代謝工程的效率。一方面，在過去幾年中，以中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所為代表，在我國生物工程方面積累的基礎(chǔ)上，迅速形成了一批可用于工業(yè)轉(zhuǎn)化的代謝工程的研發(fā)成果。另一方面，結(jié)合中醫(yī)藥學(xué)的豐厚積累及我國在天然藥物開發(fā)方面形成的化學(xué)生物學(xué)基礎(chǔ)，我國科學(xué)家近年來在植物天然化合物的細(xì)胞工廠合成方面也取得重要進(jìn)展。一批藥食用天然化合物（如萜烯類、甾體類、黃酮化合物、抗生素等）的器件挖掘、集成及異源合成與調(diào)控均有重要突破，打通了從珍稀植物基因組測序、基因挖掘到重組合成的通道，獲得不同性能的重組細(xì)胞。在酵母細(xì)胞工廠中實現(xiàn)了從葡萄糖分別到稀有人參皂苷CK、Rh2、Rg3、F1和Rh1的從頭合成并通過優(yōu)化使產(chǎn)量有了突破性進(jìn)展，其中一部分正進(jìn)入藥物開發(fā)研究。此外，創(chuàng)建了全新的多酚類氨基酸衍生藥物的生物合成路徑，實現(xiàn)了丹參素的高效生物合成（7.1 g/L）；突破了從簡單糖到甾體激素前體的生物合成，實現(xiàn)了7-脫氫膽固醇（49.9 mg/L）、菜油甾醇（355 mg/L）等多個甾醇藥物前體的高效合成。上述工作，不僅具有從微生物到動植物天然化合物的“新草本”創(chuàng)新性特色，而且具有生物學(xué)與藥物化學(xué)及生理病理學(xué)結(jié)合的“生物醫(yī)藥”轉(zhuǎn)化性特色，代表了我國代謝工程發(fā)展的重要方向。

2.4 基因組與細(xì)胞工程

“人造生命”的合成是合成生物學(xué)發(fā)展史上的里程碑式事件，也為合成生物學(xué)的大規(guī)模發(fā)展奠定了最基本的使能技術(shù)基礎(chǔ)。前者的代表性案例可追溯至 20世紀(jì) 60年代中國完成具有生理活性的牛胰島素的全人工合成，而后者則可經(jīng)典地追溯至DNA重組技術(shù)（包括原核與真核的基因克隆技術(shù)）的成功引發(fā)著名波蘭遺傳學(xué)家 Waclaw Szybalski于1974—1978年數(shù)次提出的“合成生物學(xué)”愿景。20世紀(jì)90年代以來，基因組測序注釋技術(shù)的突破，原則上實現(xiàn)了“讀”基因組的可能性，自然也衍生出“設(shè)計”的可能性；各類定向性的DNA突變、擴增及克隆技術(shù)（乃至近年來的編輯技術(shù)）原則上實現(xiàn)了對基因組“編”即改造或重編程的可能性；而DNA的大規(guī)模合成與組裝及構(gòu)建能力的提高，則在原則上實現(xiàn)了對基因組“寫”即合成的可能性。于是，以合成基因組及對基因組編輯為目標(biāo)的基因組工程以及與此相關(guān)聯(lián)的細(xì)胞工程自然成為過去20年中，合成生物學(xué)最為緊迫也最為受挑戰(zhàn)的任務(wù)之一。

早在2002年，研究人員就用化學(xué)方法合成了與脊髓灰質(zhì)炎病毒基因組RNA互補的cDNA，使其在體外RNA聚合酶的作用下轉(zhuǎn)錄成病毒的RNA，最終重新裝配成具有侵染能力的病毒；此后又通過寡核苷酸的合成與逐步組裝，得到一個全化學(xué)合成的φX174噬菌體基因組后，實現(xiàn)了支原體之間基因組DNA轉(zhuǎn)移和支原體基因組人工合成技術(shù)的突破。2010年，Gibson等設(shè)計、合成和組裝了1.08 Mb的蕈狀支原體基因組，并把它移植到山羊支原體受體細(xì)胞中，創(chuàng)造了世界上第一個僅由人工化學(xué)合成染色體控制的、具自我復(fù)制能力的“新細(xì)胞——Synthia”。同年，Gibson等通過與酶和化學(xué)試劑的混合物相結(jié)合，首次化學(xué)合成了小鼠線粒體基因組。此后，研究人員又使用基因組合成方法化學(xué)合成了 2條釀酒酵母染色體臂，這是世界上首次成功合成真核生物的部分基因組。從2011年開始，來自世界多個國家的研究人員開始實施第一個真核生物基因組合成計劃——合成酵母基因組計劃（Sc2.0），并在 2014年成功合成酵母染色體synIII，盡管合成的僅僅是釀酒酵母16條染色體中最小的一條，但這是通往構(gòu)建一個完整的真核細(xì)胞生物基因組的關(guān)鍵一步，特別是建立了利用計算機輔助設(shè)計染色體序列的技術(shù)。2017年3月，參與 Sc2.0研究的各國科學(xué)家完成了2、5、6、10和12號染色體的合成與組裝，在真核生物基因組設(shè)計與化學(xué)合成方面取得重大突破。2018年，我國科研人員充分利用CRISPR-Cas等基因編輯使能技術(shù)及合成生物學(xué)的“設(shè)計—合成—檢測”的工程學(xué)理念，成功實現(xiàn)了單染色體啤酒酵母細(xì)胞的人工創(chuàng)建，是合成生物學(xué)基因組工程與細(xì)胞工程方面的里程碑式突破；它不僅為人類對生命本質(zhì)的研究（即“真核生物能不能以一條染色體編碼基因組”的科學(xué)問題）開辟了新方向，也為研究人類端粒功能及細(xì)胞衰老提供了很好的模型。

2.5 從使能技術(shù)創(chuàng)新到工程化平臺建設(shè)

顛覆性使能技術(shù)是支撐合成生物學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵，而DNA合成以及高效基因組編輯技術(shù)都是其核心使能技術(shù)?，F(xiàn)有基因合成的主流方法是基于寡核苷酸合成儀來合成寡核苷酸，然后在此基礎(chǔ)上利用PCR等手段來進(jìn)行基因合成；該技術(shù)的工程化使合成通量大幅度提高，催生了眾多生物公司開展基因合成業(yè)務(wù)，合成價格也因此極大降低。但是，為進(jìn)一步降低超長序列（如基因組）合成的成本，不少團(tuán)隊正在研發(fā)基于芯片法合成高精度寡核苷酸池，配以不同的拼接手段實現(xiàn)最后拼接的方法。除化學(xué)合成寡核苷酸的方法外，科學(xué)家也在探索利用末端轉(zhuǎn)移酶（terminal deoxynucleotidyl transferase，TdT）直接快速合成DNA，有希望直接合成比目前方法長10倍的DNA鏈，且不需要使用毒性化學(xué)物。當(dāng)然，隨著DNA合成價格的降低，基于DNA的信息存儲也將是未來一個很有前景的發(fā)展方向。

科學(xué)家一直在探索實現(xiàn)對基因組（特別是高等生物基因組）的精準(zhǔn)編輯，曾研發(fā)了鋅指核酸酶（Zinc-finger nucleases, ZFN）和轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)因子核酸酶（transcription activator-like effector nucleases，TALEN）等方法。由于CRISPR系統(tǒng)的高效、方便、廉價等優(yōu)點，這兩種方法在CRISPR系統(tǒng)發(fā)展起來之后被逐漸淘汰。從2012年起，科學(xué)家利用CRISPR-Cas體系的可編程和精準(zhǔn)切割等特點陸續(xù)發(fā)展了一系列基因組編輯的工具，其宿主范圍目前已經(jīng)覆蓋了從細(xì)菌到高等生物，而且還在不斷增加中。

CRISPR-Cas介導(dǎo)的基因組編輯的基本原理是利用向?qū)?RNA介導(dǎo)Cas蛋白在特定的靶標(biāo)序列處引起dsDNA的斷裂，然后利用同源重組方法進(jìn)行精準(zhǔn)的DNA序列替換或利用非同源末端連接方法進(jìn)行靶標(biāo)基因的中斷。在此基礎(chǔ)上，一系列衍生方法得以發(fā)展，如利用只切割一條鏈的Cas9切口酶（Cas9-nickase）突變體連組合來降低基因組編輯的脫靶率。最近，基于CRISPR發(fā)展起來的單堿基編輯器在不造成靶標(biāo)DNA斷裂的情況下，通過對特定的堿基進(jìn)行脫氨來進(jìn)行基因組的精確編輯，被認(rèn)為有較好的發(fā)展前景。此外，利用失活的Cas蛋白還可以進(jìn)行靶標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、表觀遺傳修飾研究和基因組的成像等。值得一提的是，除了基因組編輯外，Cas13、Cas12以及Cas14等蛋白在結(jié)合了靶標(biāo)DNA后會誘發(fā)其旁路切割活力，進(jìn)而被開發(fā)成下一代分子診斷技術(shù)；在該方向上，我國的科學(xué)家也做出了原創(chuàng)性的成果。

生命體具有高度復(fù)雜性，人工設(shè)計的基因線路很難完全按照預(yù)期工作，往往需要長時間的反復(fù)調(diào)諧?？朔@一難題的最有效手段，是建立工程化研究平臺，大批量測試多種元件、線路、底盤的組合，獲取海量實驗數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)進(jìn)一步工程優(yōu)化與理性設(shè)計。工程化平臺的核心合成生物研究的自動化設(shè)施，亦稱為生物鑄造廠，依照“設(shè)計—構(gòu)建—測試—學(xué)習(xí)”的閉環(huán)策略組織工藝流程，進(jìn)行工程化的海量試錯，從而快速獲得具有目標(biāo)功能的合成生命體。如美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Agile BioFoundry，美國伊利諾伊大學(xué)的iBioFAB，美國麻省理工學(xué)院的MIT-Broad Foundry，英國帝國理工學(xué)院的 London DNA Foundry，以及產(chǎn)業(yè)界的 Amyris公司、Zymergen公司、Ginkgo公司等。在此背景下，我國規(guī)劃由中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院承擔(dān)建設(shè)全球最大的合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。值得指出的是，從原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，僅僅依賴于自動化設(shè)施是不夠的。例如，人工酵母細(xì)胞生產(chǎn)青蒿素，是合成生物學(xué)領(lǐng)域目前最成功的產(chǎn)業(yè)化案例。項目領(lǐng)導(dǎo)者美國Jay Keasling教授，圍繞工程化平臺建立了完整的研發(fā)體系——由勞倫斯伯克利國家實驗室負(fù)責(zé)上游原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合生物能源研究所（JBEI）負(fù)責(zé)中游技術(shù)開發(fā)，Amyris公司負(fù)責(zé)下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的創(chuàng)新鏈條。這些圍繞工程化平臺的體制與機制創(chuàng)新，值得深入研究與思考，為充分發(fā)揮我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施對合成生物學(xué)研究、創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)的巨大推動作用提供重要借鑒。

2.6 轉(zhuǎn)化與應(yīng)用研究

利用合成生物學(xué)技術(shù)，有可能解決長期困擾基因治療和生物治療的一系列技術(shù)難題，為癌癥、糖尿病等復(fù)雜疾病開發(fā)出更多有效的藥物和治療手段；也有可能突破生物燃料發(fā)展的技術(shù)瓶頸，模擬乃至設(shè)計出更加簡單高效的生物過程，生產(chǎn)出更復(fù)雜的天然產(chǎn)品，合成出更多的有機化工產(chǎn)品。

在醫(yī)療領(lǐng)域，除目前已廣為關(guān)注的CAR-T等細(xì)胞治療技術(shù)，設(shè)計合成促進(jìn)細(xì)菌入侵腫瘤細(xì)胞的線路也是合成生物學(xué)理念指導(dǎo)下細(xì)胞工程的一個開拓性事例，也是細(xì)胞治療的一個早期例子。此后，工程噬菌體療法和細(xì)胞療法也不斷成熟，如通過工程手段構(gòu)建益生大腸桿菌，能夠識別并消滅綠膿假單胞菌，也可以通過表達(dá)異源群體感應(yīng)信號，阻斷霍亂弧菌的毒害。

近年來，我國科學(xué)家利用合成生物學(xué)技術(shù)改造的若干高產(chǎn)藥物的菌株開始投入工業(yè)化應(yīng)用，發(fā)酵水平達(dá)到國際或國內(nèi)領(lǐng)先水平，新增銷售額近10億元人民幣。利用基因表達(dá)濃度梯度調(diào)控技術(shù)改造納他霉素合成酶之間的適配性，納他霉素發(fā)酵水平最高達(dá)15.0 g/L；解析和重組了玫瑰孢鏈霉菌達(dá)托霉素生物合成過程的級聯(lián)調(diào)控機制和關(guān)鍵基因，達(dá)托霉素發(fā)酵單位達(dá)2.5 g/L以上；重構(gòu)筑波鏈霉菌中的他克莫司合成模塊，實現(xiàn)他克莫司最高發(fā)酵單位 1405 μg/mL。

生物燃料領(lǐng)域，研究人員利用合成撥動開關(guān)和群體感應(yīng)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)生物量擴張和乙醇生產(chǎn)；設(shè)計并構(gòu)建了生產(chǎn)生物柴油的大腸桿菌，并實現(xiàn)了多功能模塊的集成，通過在大腸桿菌中引入外源酶，使其同時具有合成脂肪酯、脂肪醇及蠟，并可利用簡單五碳糖為底物的多種功能，開辟了微生物工程化煉制能源的新途徑。

在化學(xué)品生物合成方面，基于化學(xué)反應(yīng)特征和胞內(nèi)調(diào)控位點，計算設(shè)計與合成表征了滿足數(shù)百種重要化學(xué)品生物合成的功能元件，為化學(xué)分子合成途徑和高效人工合成細(xì)胞創(chuàng)建奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)功能元件。利用DNA組裝和精確表達(dá)調(diào)控技術(shù)，創(chuàng)建和優(yōu)化了從葡萄糖到丁二酸、戊二胺、己二酸、5-氨基乙酰丙酸等途徑。其中，5-氨基乙酰丙酸產(chǎn)量達(dá)到50 g/L，比國際水平高5倍；丁二酸產(chǎn)量達(dá)到125 g/L，產(chǎn)物對底盤葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為105%（可部分固定 CO2），技術(shù)指標(biāo)處于國際領(lǐng)先水平，并已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。在對光合藍(lán)細(xì)菌底盤細(xì)胞的生理調(diào)控機制進(jìn)行系統(tǒng)研究和形成較為完整的理解和認(rèn)識的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一系列獲得抗逆性能提高的光合藍(lán)細(xì)菌底盤細(xì)胞，通過光合模塊、CO2固定和生物合成模塊的重構(gòu)和優(yōu)化，實現(xiàn)了從CO2生物合成酮、醇、酸等典型化合物，為發(fā)展和利用新的碳資源提供了可能，其中丙酮、D-乳酸和 3-羥基丁酸均為國際上首次報道。

3 合成生物學(xué)的科技支撐與社會治理

合成生物學(xué)所包含的多學(xué)科“融合”已不僅僅是原先意義上的“交叉”，而是科學(xué)、技術(shù)、工程乃至自然科學(xué)與社會科學(xué)、管理科學(xué)的“會聚”。這種“會聚”不僅使傳統(tǒng)的、以學(xué)科為特征的研究模式面臨巨大挑戰(zhàn)，也代表著組織管理與文化建設(shè)的重大變革。因此，合成生物學(xué)的發(fā)展，需要構(gòu)建與會聚研究能力相適應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)，這樣的“會聚”生態(tài)系統(tǒng)涉及科研、教育、管理、合作以及資助等各方面，需要從政策引導(dǎo)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、機制配套、創(chuàng)新人才培養(yǎng)、工程技術(shù)隊伍集聚等方面切入，形成產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新價值鏈等多層次、綜合性的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。同時，合成生物學(xué)作為新興顛覆性領(lǐng)域，還需要對制度、法規(guī)和公眾輿論引導(dǎo)等方面進(jìn)行長期研究，并逐漸形成系統(tǒng)性的風(fēng)險管控體系，以保證并促進(jìn)其健康快速的發(fā)展。

3.1 研究與開發(fā)體系

3.1.1 促進(jìn)創(chuàng)新發(fā)展的政策引導(dǎo)和能力建設(shè) 合成生物學(xué)的發(fā)展不僅需要國家和政府部門經(jīng)費的支持和政策引導(dǎo)，更需要充分調(diào)動產(chǎn)學(xué)研金各方的積極性，形成有科技創(chuàng)造活力、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化能力和社會經(jīng)濟(jì)效益的創(chuàng)新價值鏈。要根據(jù)價值鏈不同階段的不同目標(biāo)，采取不同的支持方式，積極尋求多元化的資金支持，實現(xiàn)從基礎(chǔ)研究到技術(shù)創(chuàng)新，從工程平臺建設(shè)到產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的多層次、分階段的快速與穩(wěn)定的發(fā)展。在投入方面，政府要特別強調(diào)支持用于轉(zhuǎn)化研究的、具有合成生物學(xué)特色的元件庫、數(shù)據(jù)庫，以及工程技術(shù)平臺等的建設(shè)。通過國家級的基礎(chǔ)設(shè)施或國家實驗室的建設(shè)，不僅能解決學(xué)科會聚融合的問題，還能更有效地發(fā)揮研發(fā)機構(gòu)、資助機構(gòu)和監(jiān)管機構(gòu)的作用。另外，要通過政策激勵鼓勵企業(yè)，一方面增加研發(fā)投入，以支持人才隊伍建設(shè)來支撐企業(yè)研發(fā)能力的提升；另一方面，以支持合成生物學(xué)先驅(qū)企業(yè)在技術(shù)和產(chǎn)品的（包括技術(shù)服務(wù)產(chǎn)品）研發(fā)推廣過程中，加強標(biāo)準(zhǔn)建立和推廣，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)變革。

3.1.2 有利于“會聚”研究的機制體制和文化氛圍 由于會聚研究在很大程度上依賴于多個領(lǐng)域、多個合作伙伴的專業(yè)知識的整合，因而，開放與包容的文化、組織結(jié)構(gòu)與管理、通用的概念與標(biāo)準(zhǔn)，以及共同的目標(biāo)，對于支持這種密切合作關(guān)系十分必要。首先，制定支持交叉會聚的相關(guān)政策，建立統(tǒng)一協(xié)調(diào)的機制，設(shè)置相應(yīng)的研究單元（機構(gòu)）、為其量身定制的管理架構(gòu)，推動傳統(tǒng)組織架構(gòu)間的跨學(xué)科研究。另外，要建立有效的組織文化，創(chuàng)造思想交流的機會、提高對學(xué)科差異的理解；制定公平、靈活的預(yù)算與費用分?jǐn)傉?，配套相?yīng)的資源投入與經(jīng)費使用機制，改革人員招聘、晉升、考評制度，以更好地支持跨學(xué)科的“會聚”研究。

3.2 教育與人才培養(yǎng)

3.2.1 夯實多學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)的學(xué)科教育 合成生物學(xué)的會聚發(fā)展模式，需要創(chuàng)新的教育模式和人才培養(yǎng)模式。合成生物學(xué)的教育，不僅應(yīng)教授具體的理論與實驗技術(shù)，還應(yīng)傳遞合成生物學(xué)的價值觀和理念。這些價值觀包括通過超越傳統(tǒng)生物學(xué)科的新型合作以及支持開源資源的開發(fā)和利用，致力于跨學(xué)科的創(chuàng)新研究。應(yīng)精心設(shè)計和推行“會聚”的教育計劃和培訓(xùn)項目。需要注意的是，在目前階段上，并非一定要設(shè)立“合成生物學(xué)”專業(yè)，而是要多方協(xié)同教育資源，夯實多學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)，強調(diào)各“融合”學(xué)科相關(guān)部分之間的“會聚”；通過教學(xué)相長，建立適應(yīng)合成生物學(xué)發(fā)展的師資隊伍，進(jìn)一步完善本科生、研究生的創(chuàng)新教育體系。同時，注重學(xué)科建設(shè)與人才培養(yǎng)相結(jié)合，強調(diào)基地建設(shè)與隊伍建設(shè)相結(jié)合。

3.2.2 培養(yǎng)具備跨學(xué)科工作的能力和素質(zhì) 在合成生物學(xué)的人才培養(yǎng)中，應(yīng)強調(diào)和倡導(dǎo)勇于創(chuàng)新、開放、合作的意識和理念，才能培養(yǎng)新一代的合成生物學(xué)家。起源于2003年美國麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)課程的國際基因工程機器大賽（iGEM），每年吸引著全球眾多高校乃至中學(xué)生團(tuán)隊參與。iGEM通過學(xué)生自主選題、導(dǎo)師提供實驗室和指導(dǎo)意見的模式，使學(xué)生不但可以將學(xué)到的知識運用到實際科研工作中，而且對其科學(xué)思維、自主學(xué)習(xí)、人際交往、團(tuán)隊協(xié)作、跨學(xué)科交流等能力進(jìn)行了全面鍛煉。通過這種“會聚”研究能力的培養(yǎng)，保持獨特的創(chuàng)新文化和合作分享文化，培育造就跨學(xué)科的研究梯隊和系列人才，集中解決合成生物學(xué)的關(guān)鍵科學(xué)問題和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化問題。

3.3 社會影響研究與治理

合成生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)倫理觀念，直接帶來涉及開源共享與知識產(chǎn)權(quán)/生物安全安保等問題。目前尚缺少倫理、法律、社會學(xué)等方面的研究和討論，以及支撐標(biāo)準(zhǔn)建立的相關(guān)技術(shù)及方法的研究。

3.3.1 推動產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范 推進(jìn)合成生物學(xué)產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，需要建立相關(guān)元器件和技術(shù)服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)。在合成生物學(xué)技術(shù)源頭研發(fā)階段，應(yīng)重點加強知識產(chǎn)權(quán)（包括標(biāo)準(zhǔn)化）的保護(hù)與管理，促進(jìn)資源開放共享；在市場應(yīng)用發(fā)展到一定程度時，要及時研究制定相關(guān)的技術(shù)/科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境/安全標(biāo)準(zhǔn)、過程可重復(fù)的計量標(biāo)準(zhǔn)等，并加強與國際標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的交流合作。

合成生物學(xué)產(chǎn)品的市場準(zhǔn)入，是保證合成生物學(xué)技術(shù)推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，服務(wù)社會進(jìn)步的重要節(jié)點。目前，對于純化產(chǎn)品（如藥物）和非食用類產(chǎn)品，原則上可沿用現(xiàn)有的監(jiān)管原則。對于非純化的食用類產(chǎn)品，應(yīng)盡早利用這一機遇，建立科學(xué)、理性、安全、高效的評估規(guī)范，明確新產(chǎn)品的申報與審批路徑，統(tǒng)一市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)和審查制度，推動新產(chǎn)品早日進(jìn)入市場。

3.3.2 促進(jìn)健康發(fā)展的監(jiān)督和管理

如何保障合成生物學(xué)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的生物安全，防止技術(shù)的濫用，以及防止倫理方面的沖突已成為極其重要且亟待解決的問題。應(yīng)密切跟蹤合成生物學(xué)發(fā)展所帶來的新的生物安全、倫理等問題，大力開展相關(guān)的風(fēng)險研究，研究新特征、新變化；梳理現(xiàn)有管理政策中存在的問題、漏洞和空白，適時進(jìn)行補充、修改；還應(yīng)提高研究人員的安全意識并重視對公眾的宣傳和公眾的參與，完善基于信用檔案的資質(zhì)審核制度，促進(jìn)自我監(jiān)管。

（摘自《中國科學(xué)院院刊》2018年第11期）