王旭靜， 燕永亮， 王友華， 唐巧玲， 焦悅， 王志興*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技發(fā)展中心，北京 100176）

合成生物技術(shù)作為21世紀的一項顛覆性技術(shù)，是通過引入模塊化概念和系統(tǒng)設(shè)計理論，對生物體進行設(shè)計改造或者從頭合成全新人工生物體系，是分子生物學(xué)、工程學(xué)、信息學(xué)、計算機科學(xué)等多學(xué)科交叉融合的會聚型創(chuàng)新技術(shù)，具有工程化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化特征，正在引發(fā)第三次生物科學(xué)革命和推動產(chǎn)業(yè)方式變革[1-3]。合成生物技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，有望解決光合作用、生物固氮、生物抗逆、環(huán)境資源等制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的世界性難題，為保障糧食安全、發(fā)展生物經(jīng)濟注入新動能，已成為全球科技競爭戰(zhàn)略制高點[4]。同時，合成生物技術(shù)與其他技術(shù)一樣，是一把雙刃劍，在給人類帶來利益的同時也具有一定的潛在風(fēng)險，需加強風(fēng)險評估與安全管理。

1 農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)的發(fā)展歷程

合成生物技術(shù)最初由Hobom[5]于1980年提出，表述為基因重組技術(shù)。2000年，庫爾（Kool）用合成生物技術(shù)來描述生物系統(tǒng)中非天然存在的功能性有機分子的合成[6]。同年，Mcadams等[7]在大腸桿菌中成功構(gòu)建第1個基因開關(guān)，標(biāo)志著合成生物技術(shù)時代的正式開啟[8]。隨后，2002年在大腸桿菌中成功構(gòu)建了用于生產(chǎn)青蒿素的甲羥戊酸途徑；2006年成功構(gòu)建了產(chǎn)青蒿素的酵母菌；2010年，人工合成的蕈狀支原體基因組邁出了人工合成基因創(chuàng)造新細胞的歷史性一步。自此，生命科學(xué)從“認識生命”走向“合成生命”的新階段[9-11]。2013年，Paddon等[12]完成酵母中青蒿素半生物合成工藝，從酵母中合成青蒿素使抗瘧疾藥物成本下降90%，被認為是合成生物技術(shù)應(yīng)用的里程碑事件。自此，合成生物技術(shù)在生命健康、環(huán)境資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用發(fā)展迅速，預(yù)計到2025年市場規(guī)模將突破200億美元[4]。

從合成生物技術(shù)的概念和發(fā)展歷程可以看出，合成生物技術(shù)與轉(zhuǎn)基因技術(shù)在研究內(nèi)容和技術(shù)方法上是重疊的，合成生物技術(shù)使用的元件和模塊在轉(zhuǎn)基因技術(shù)中同樣使用，二者都需要用到DNA重組技術(shù)和遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)等。區(qū)別在于轉(zhuǎn)基因技術(shù)只是轉(zhuǎn)化少量外源基因，而合成生物技術(shù)傾向于轉(zhuǎn)化多基因甚至整個代謝通路，從系統(tǒng)層面實現(xiàn)對植物體系的從頭設(shè)計與改造。可以說合成生物技術(shù)是轉(zhuǎn)基因技術(shù)的延伸和迭代升級，比轉(zhuǎn)基因技術(shù)更具有不確定性和復(fù)雜性。

2 農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

2.1 國際農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

合成生物技術(shù)成為全球農(nóng)業(yè)科技競爭戰(zhàn)略制高點。美國作為合成生物技術(shù)的領(lǐng)頭羊，多次以總統(tǒng)令的形式發(fā)布對合成生物技術(shù)的戰(zhàn)略部署，2022年9月，時任總統(tǒng)拜登發(fā)布“推進生物技術(shù)和生物制造創(chuàng)新以實現(xiàn)可持續(xù)、安全和有保障的美國生物經(jīng)濟”的行政命令，舉全國體制推動合成生物技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。歐盟于2014年推出《歐洲合成生物學(xué)下一步行動》，“歐洲地平線”項目計劃在2021—2027年投資1 000億歐元用于支持合成生物等前沿基礎(chǔ)和技術(shù)創(chuàng)新研究。英國2012年發(fā)布《合成生物學(xué)路線圖》，2016年實施《英國合成生物學(xué)戰(zhàn)略計劃》[13-14]。

合成生物技術(shù)成為市場資本追逐的新方向。據(jù)統(tǒng)計，僅2021年第一季度，全球合成生物學(xué)市場的投資額高達46.08億美元，同比增長409%（據(jù)Synbiobeta的數(shù)據(jù)顯示，https://www.synbiobeta.com/）。巴斯夫、拜耳、陶氏化學(xué)等大型跨國化工集團斥巨資投入，金融和風(fēng)險投資積極介入合成生物學(xué)領(lǐng)域，創(chuàng)立了以 Zymergen、Ginkgo Bioworks、Twist Science、Intrexon、Amyris等為代表的超過200家的初創(chuàng)企業(yè)（https://golden.com/query/list-ofsynthetic biology-companies-XKB）。在農(nóng)業(yè)投資領(lǐng)域主要關(guān)注動物疫苗、生物飼料、農(nóng)業(yè)用酶、非化學(xué)害蟲控制和生物農(nóng)藥等方面，如美國的Pivot Bio公司采用合成生物技術(shù)開發(fā)了針對玉米作物的 Pivot Bio PROVEN 固氮產(chǎn)品，融資總額高達 6億美元（www.pivotbio.com）；美國Indigo Agriculture公司基于作物微生物組開發(fā)出提高作物耐干旱脅迫的合成菌群微生物肥料，估值超35億美元等（www.indigoag.com）。

核心技術(shù)創(chuàng)新取得突破。Shendure等[15]研發(fā)出低成本、高通量的新一代DNA測序技術(shù)，保障了“海量基因組信息”的快速積累，挖掘并建立了包含4萬個代謝反應(yīng)、5 000多個合成生物途徑的大數(shù)據(jù)集。基因編輯、DNA合成技術(shù)、染色體工程技術(shù)、生物信息技術(shù)等前沿技術(shù)的快速發(fā)展，為元件設(shè)計、底盤適配和元件裝配奠定了良好基礎(chǔ)，加速了認識和改造生命的步伐，目前已發(fā)展到真核生物基因組的合成和優(yōu)化階段[16-19]。

研發(fā)出一批農(nóng)業(yè)合成生物產(chǎn)品。研究人員開發(fā)出系列生物傳感器，包括檢測植物內(nèi)源激素信號的熒光共振能量轉(zhuǎn)移生物傳感器ABACUS和ABAleon、檢測植物營養(yǎng)物質(zhì)改變的生物傳感器cpFLIPPi以及對生物和非生物逆境做出反應(yīng)的植物前哨生物傳感器等[20-22]；創(chuàng)制出比野生型水稻葉酸含量高150倍的生物強化水稻，生長量提高40%的含有人工合成光呼吸旁路的水稻等新種質(zhì)[23-24]；開發(fā)出系列細胞和植物工廠，如Amyris公司在酵母菌中構(gòu)建了青蒿素半生物合成工藝，產(chǎn)量提高10倍[12]；在本氏煙草中重構(gòu)天然產(chǎn)物的通路，成功合成長春花堿等多種天然活性物質(zhì)[25-26]。

生物安全評價技術(shù)同步發(fā)展。各國在加強合成生物技術(shù)研發(fā)的同時，十分重視生物安全科技創(chuàng)新，在技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品應(yīng)用的風(fēng)險形成機理、安全評價與檢測技術(shù)及產(chǎn)品研制方面取得一系列進展，努力構(gòu)建全方位的生物技術(shù)安全科技支撐體系?；蚪M、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組等多組學(xué)協(xié)同識別合成特征，解析風(fēng)險形成的分子機理和可能產(chǎn)生的非預(yù)期效應(yīng)[27-30]。大數(shù)據(jù)驅(qū)動生物技術(shù)產(chǎn)品高效精準(zhǔn)溯源及檢測技術(shù)發(fā)展，實現(xiàn)對DNA的實時、無信號標(biāo)記、無需標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的絕對定量測量[31-32]。此外，毒蛋白、過敏原數(shù)據(jù)庫逐漸系統(tǒng)化，研制出系列環(huán)境和食用安全評價與檢測產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程[33-34]。

2.2 我國農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

我國高度重視合成生物技術(shù)研究，積極加強合成生物技術(shù)戰(zhàn)略布局，習(xí)近平總書記2015和2016年2次對合成生物學(xué)發(fā)展做出重要批示?！笆濉逼陂g，科學(xué)技術(shù)部在合成生物學(xué)領(lǐng)域先后啟動10項“973”計劃項目和1項“863”計劃重大項目；2018年啟動國家重點研發(fā)計劃合成生物學(xué)專項?！丁笆奈濉眹铱萍紕?chuàng)新規(guī)劃》將合成生物技術(shù)列為引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)。未來10～20年，我國將實施農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)“三階段跨越”發(fā)展戰(zhàn)略，通過技術(shù)跨越（2020—2025）、產(chǎn)業(yè)跨越（2025—2030）和整體跨越（2030—2035），促進我國農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化整體水平達到世界先進水平[4]。

我國合成生物學(xué)研究雖然起步稍晚，但呈現(xiàn)迅猛發(fā)展態(tài)勢。研究人員發(fā)掘和表征了一批產(chǎn)量、抗鹽堿、抗干旱、固氮泌銨、氮高效利用等元件[35-39]，評估了抗逆功能器件和最小或最佳固氮裝置[40-41]，發(fā)展了利用微生物成像質(zhì)譜和組合生物合成技術(shù)平臺，合成了系列新型“非天然”聚酮化合物[42-43]，首次實現(xiàn)了利用二氧化碳合成淀粉[44]，創(chuàng)制了富含花青素的“紫晶米”等新種質(zhì)[45]。此外，在高光效C4水稻的設(shè)計研究、人工耐銨泌銨固氮工程菌等創(chuàng)建方面也取得積極進展[46-49]。

3 農(nóng)業(yè)合成生物的安全管理

合成生物技術(shù)是基因工程技術(shù)發(fā)展的新階段，其潛在風(fēng)險與轉(zhuǎn)基因技術(shù)的風(fēng)險點類似，存在誤用濫用帶來的倫理問題、生態(tài)安全風(fēng)險和食用飼用安全風(fēng)險。目前，國內(nèi)外已建立了科學(xué)有效的轉(zhuǎn)基因生物風(fēng)險評估與安全管理體系，將農(nóng)業(yè)合成生物產(chǎn)品納入轉(zhuǎn)基因生物監(jiān)管體系，能夠防控潛在風(fēng)險，保障產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

3.1 農(nóng)業(yè)合成生物的潛在風(fēng)險

3.1.1 倫理風(fēng)險 合成生物技術(shù)突破了傳統(tǒng)的自然進化歷程和限制瓶頸，改變了人們對進化的認知，帶來了差異化的生物倫理思考和擔(dān)憂[50-51]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，合成生物技術(shù)主要用于解決世界性農(nóng)業(yè)難題，為光合作用、生物固氮、生物抗逆和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等難題提供解決途徑，不會引起在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)ι蛔鹬氐确矫娴膫惱淼赖聠栴}，但會產(chǎn)生誤用濫用所引起的科技倫理問題，如將毒蛋白、過敏原、抗?fàn)I養(yǎng)因子等導(dǎo)入底盤生物。所以，需要加強倫理審查，提升研究者的倫理規(guī)范意識，通過體制機制建設(shè)杜絕違背科技倫理的行為，趨利避害。

3.1.2 合成特征風(fēng)險 合成生物中導(dǎo)入多個組件，與底盤生物整合過程中可能產(chǎn)生染色體重組、基因重排而干擾底盤生物的基因表達和特征特性，產(chǎn)生一些新的功能而引起非預(yù)期效應(yīng)，以及組件能否穩(wěn)定遺傳等[52]。這些合成特征方面存在不確定性和復(fù)雜性，需要從組學(xué)水平精準(zhǔn)解析合成特征，從分子水平識別生物組件對底盤生物基因表達和遺傳穩(wěn)定性的影響。

3.1.3 生態(tài)風(fēng)險 合成生物改變了底盤生物的代謝途徑和表型特征，其生存適應(yīng)性不確定，有可能會改變其生存競爭能力；釋放到環(huán)境中，導(dǎo)入的生物組件可能會通過基因飄流而在不同生物間傳遞，可能會對有益生物等其他非靶標(biāo)生物產(chǎn)生潛在影響，也可能會對動物、植物和微生物生態(tài)群落以及有害生物地位演化產(chǎn)生影響等[53-54]。這些不確定性和復(fù)雜性都可能會帶來一定的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險，需進行環(huán)境安全評估。

3.1.4 食用和飼用安全風(fēng)險 合成生物存在插入的生物元件DNA片段和轉(zhuǎn)錄RNA的安全性，如表達蛋白是否會具有毒性、過敏性、致畸性等[55-57]；除了目標(biāo)產(chǎn)物外，代謝中間產(chǎn)物多樣，是否影響底盤生物的食用和飼用安全；外源基因插入而引起的底盤生物組成預(yù)期和非預(yù)期的變化，從而影響食用安全性問題等[58]。合成生物需要從營養(yǎng)學(xué)評價、新表達物質(zhì)毒理學(xué)評價、致敏性評價等方面進行評估。

3.2 農(nóng)業(yè)合成生物的安全管理

各國政府、國際組織、科研機構(gòu)等基于對合成生物學(xué)理念的理解，結(jié)合合成生物特性，提出了合成生物學(xué)的管理設(shè)想。2014年，《生物多樣性公約》第十二次締約方大會明確了合成生物屬于《卡塔赫納生物安全議定書》中關(guān)于改性活生物體的范疇[57]。目前，歐盟、美國等以生物技術(shù)和遺傳修飾生物為切入點對合成生物技術(shù)產(chǎn)品進行監(jiān)管和治理[59-60]。

美國通過聯(lián)邦立法為合成生物提供明確的制度依據(jù)，衍生出行業(yè)規(guī)范，實行從研發(fā)到市場全鏈條多頭監(jiān)管。實驗室研究管理隸屬于國家衛(wèi)生研究所（National Institutes of Health，NIH），NIH 重組DNA咨詢委員會認為，在多數(shù)情況下其生物安全風(fēng)險類似于重組DNA研究，當(dāng)前的風(fēng)險評估框架能夠用來評估合成生物的研究。為了提供關(guān)于合成核酸風(fēng)險評估和管理研究的基本原則和程序框架，NIH將重組DNA分子研究指南改編用于重組或合成核酸分子的評估指南[61]。農(nóng)業(yè)合成生物與轉(zhuǎn)基因作物管理框架和模式相同，由農(nóng)業(yè)部、環(huán)境保護署和食品藥物管理局3個部門依據(jù)《生物技術(shù)管理協(xié)調(diào)框架》協(xié)同管理，重點評估產(chǎn)品的分子特征、環(huán)境安全和食用安全3方面[62]。

歐盟對新技術(shù)采取的是預(yù)防原則，認為新技術(shù)存在潛在風(fēng)險，采取以過程為基礎(chǔ)的安全評價管理模式，總體上對轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品控制十分嚴格。歐洲食品安全局是轉(zhuǎn)基因生物安全管理的專門機構(gòu)，負責(zé)對轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品全過程監(jiān)控，并為歐盟委員會和各成員國相關(guān)法規(guī)的制定提供科學(xué)依據(jù)。歐盟認為合成生物仍屬于重組DNA的技術(shù)范疇，已建立的轉(zhuǎn)基因生物和病原體風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)、方法和風(fēng)險管理體系在農(nóng)業(yè)合成生物監(jiān)管中仍然適用，應(yīng)將其納入現(xiàn)有的轉(zhuǎn)基因生物監(jiān)管法律體系中[51,63-64]。

我國已建立了一套科學(xué)規(guī)范并符合國情的轉(zhuǎn)基因生物安全管理體系，具有完善的法律法規(guī)體系、健全的管理體系和強有力的技術(shù)支撐體系。我國轉(zhuǎn)基因生物安全評價既針對產(chǎn)品又針對過程，依照受體、基因、遺傳操作的風(fēng)險高低實行分級分階段評價管理，在任何一個階段發(fā)現(xiàn)任何一個對健康和環(huán)境不安全的問題，都將立即終止以確保安全。依據(jù)我國《農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理條例》對轉(zhuǎn)基因生物的定義，農(nóng)業(yè)合成生物也屬于基因工程技術(shù)的范疇，依據(jù)轉(zhuǎn)基因生物管理體系對其監(jiān)管可有效防控風(fēng)險。

4 結(jié)語

農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)作為一項“會聚研究”技術(shù)，通過BT+IT的交叉融合，正在引領(lǐng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)跨越發(fā)展，為解決農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約性問題、促進生物經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供了強有力的支撐，但也面臨著風(fēng)險和挑戰(zhàn)，需要加強風(fēng)險評估和安全監(jiān)管。我國農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)在國家的大力支持下，整體研發(fā)水平處于發(fā)展中國家領(lǐng)先地位，并向國際先進水平跨越，但在智能技術(shù)研發(fā)、技術(shù)集成創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面還存在一定差距。建議統(tǒng)籌布局，強化科技創(chuàng)新，加快推進元器件挖掘、人工智能、細胞工廠等基礎(chǔ)研究，提升基礎(chǔ)前沿與應(yīng)用轉(zhuǎn)化的融合。與此同時，加強風(fēng)險評估和安全監(jiān)管，科學(xué)防范風(fēng)險，強化農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)風(fēng)險識別與預(yù)警、風(fēng)險評估與檢測、風(fēng)險防控技術(shù)等安全創(chuàng)新研究，提高風(fēng)險評估能力；加強生物安全監(jiān)管，在現(xiàn)有轉(zhuǎn)基因生物管理框架的基礎(chǔ)上，基于主要國家合成生物安全管理政策邏輯分析框架，提出符合我國國情、與技術(shù)水平相協(xié)調(diào)的法律治理對策和生物安全監(jiān)管機制，嚴格農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)研發(fā)應(yīng)用監(jiān)管與科研倫理審查。