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合成生物學(xué)旨在交叉學(xué)科的融合運(yùn)用,被認(rèn)為是一個(gè)基于生物學(xué)的“工具包”,用抽象化、標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化結(jié)構(gòu)來改變構(gòu)建生物系統(tǒng)和擴(kuò)大可能產(chǎn)品的范圍,是未來生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要增長(zhǎng)手段。

01概念界定與發(fā)展歷程

合成生物學(xué)(Synthetic Biology)是一門匯集生物學(xué)、基因組學(xué)、工程學(xué)和信息學(xué)等多種學(xué)科的交叉學(xué)科,是設(shè)計(jì)和建造新的生物實(shí)體——如酶、遺傳回路和細(xì)胞,或重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有的生物系統(tǒng)。合成生物學(xué)建立在分子、細(xì)胞和系統(tǒng)生物學(xué)進(jìn)步的基礎(chǔ)上,并尋求與合成化學(xué)轉(zhuǎn)化和集成電路設(shè)計(jì)計(jì)算相同的方式改變生物學(xué)。其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑是運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)和工程學(xué)原理,以基因組和生化分子合成為基礎(chǔ),綜合生物化學(xué)、生物物理和生物信息等技術(shù),旨在設(shè)計(jì)、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化過程,構(gòu)建具有生命活性的生物元件、系統(tǒng)以及人造細(xì)胞或生物體。
合成生物學(xué)經(jīng)過20年的發(fā)展,迎來了許多生物技術(shù)革新及具有里程碑意義的成就,其發(fā)展歷程大致分為四個(gè)階段。

第一階段(2005年以前):基因線路在代謝工程領(lǐng)域的應(yīng)用,典型成果是青蒿素前體在大腸桿菌中的合成。

第二階段(2005-2011年):“工程生物學(xué)”發(fā)展,工程化理念日漸深入,使能技術(shù)平臺(tái)得到重視,工程方法和工具不斷積淀。

第三階段(2011-2015年):基因組編輯的效率大幅提升,應(yīng)用領(lǐng)域從生物基化學(xué)品、生物能源擴(kuò)展至疾病診斷、藥物和疫苗開發(fā)、作物育種、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物新材料等諸多領(lǐng)域。

第四階段(2015年至今):合成生物學(xué)的“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)”(Design-Build-Test-Learn,DBTL)等理念或?qū)W科相繼提出,生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展的特點(diǎn)愈加明顯。

圖1 :合成生物學(xué)發(fā)展歷程和重要里程碑來源:火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理

02技術(shù)成果與研究進(jìn)展

全球合成生物學(xué)的研究步伐快,我國(guó)已基本具備與強(qiáng)國(guó)抗衡的實(shí)力。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家以美國(guó)、英國(guó)為主導(dǎo),在合成生物學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)程較快,已經(jīng)形成“政產(chǎn)學(xué)研用”的完備體系,歐美各國(guó)圍繞基礎(chǔ)研究、戰(zhàn)略規(guī)劃、財(cái)政支持、機(jī)構(gòu)建設(shè),以及倫理規(guī)范,在合成生物學(xué)領(lǐng)域都已建立健全。在大環(huán)境影響下,我國(guó)的合成生物學(xué)研究也取得了長(zhǎng)足發(fā)展。與此同時(shí),構(gòu)建合成生物學(xué)倫理監(jiān)管體系以及長(zhǎng)期、短期技術(shù)發(fā)展路線整體規(guī)劃已逐漸被提上議程。

合成生物學(xué)研究近年來取得了一系列重大成果。包括低成本DNA合成、下一代測(cè)序、多路復(fù)用、基因組工程技術(shù),以及大量基因組序列的提供,在支持生物研究方面發(fā)揮著越來越突出的作用。2016年,科學(xué)家克萊格·文特爾等人宣布合成出“迷你”細(xì)胞,這是合成生物學(xué)領(lǐng)域的一大突破,創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)已知擁有最小基因組的人造生物JCVI-syn3．0。2021年,德國(guó)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Hippea Maritima細(xì)菌的逆向三羧酸循環(huán)(TCA),這個(gè)過程使得細(xì)菌能夠在充斥著CO2氣體的環(huán)境中茁壯成長(zhǎng),為物種起源提供了新的線索。合成生物學(xué)工具在利用生物技術(shù)應(yīng)對(duì)社會(huì)挑戰(zhàn)方面的潛力不僅體現(xiàn)在基礎(chǔ)科學(xué)研究中,在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)揮著重要作用,如生產(chǎn)生物燃料、生物醫(yī)藥的合成/多功能材料,以及大規(guī)模生產(chǎn)化學(xué)品和食品成分等。此外,面對(duì)新冠疫情大流行對(duì)全球健康和安全的影響,合成生物學(xué)技術(shù)也顯示出巨大的應(yīng)用潛力,為病毒學(xué)研究和疫苗開發(fā)提供了前所未有的工具。

在全球合成生物學(xué)快速發(fā)展的背景下,我國(guó)相關(guān)研究也取得了大量突破。中國(guó)科學(xué)家曾經(jīng)首次實(shí)現(xiàn)人工合成蛋白質(zhì)(牛胰島素)和核糖核酸(酵母丙氨酸t(yī)RNA), 近年來又在染色體合成與染色體工程、基因組編輯、生物底盤構(gòu)建、定量工程生物學(xué)、生物元件工程和基因回路工程、天然活性物質(zhì)和有機(jī)化工產(chǎn)品的人工合成代謝、計(jì)算機(jī)生物模擬等方面取得系列原始發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新成果。

合成生物學(xué)領(lǐng)域近年來技術(shù)創(chuàng)新研究主要聚焦在以下幾個(gè)方面:基因與基因組的合成研究,讓生物系統(tǒng)經(jīng)重新組裝后發(fā)揮新的功能,包括將生物系統(tǒng)精簡(jiǎn)成模塊及其他部件,擴(kuò)增、檢測(cè)或克隆相關(guān)序列等;基因表達(dá)、基因治療研究,包括基因修飾賦予新功能、抑制靶基因表達(dá)的技術(shù)等,主要對(duì)基因組進(jìn)行操控和克隆;基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,包括研究基因線路的各種邏輯關(guān)系與調(diào)控方法,以實(shí)現(xiàn)特定的功能、設(shè)計(jì)新的遺傳線路,并利用基因重組等手段完成對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的改造;基因回路的相關(guān)研究,包括簡(jiǎn)單基因電路構(gòu)建、基因波動(dòng)開關(guān)和振蕩器的設(shè)計(jì)等;使能技術(shù)的發(fā)展,包括利用CRISPR/Cas系統(tǒng)進(jìn)行多路基因組工程等;相關(guān)開發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)的研發(fā),包括蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的算法、基因數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建、基因組功能鑒定方法的研究等。

圖2:合成生物學(xué)研究進(jìn)展來源:火石創(chuàng)造根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)整理

03研究成果與代表機(jī)構(gòu)

從合成生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明專利和研究論文情況來看, 2011年-2021年9月底我國(guó)合成生物學(xué)領(lǐng)域共有267篇有效專利和1220篇研究論文發(fā)表。通過統(tǒng)計(jì)我國(guó)有效專利數(shù)量,我國(guó)在合成生物學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。研究論文方面,在2017年達(dá)峰值,近幾年呈下降趨勢(shì)。

圖3:2011-2021年Q3我國(guó)合成生物學(xué)專利發(fā)明與論文發(fā)表趨勢(shì)(篇)來源:火石創(chuàng)造數(shù)據(jù)庫(kù)

我國(guó)合成生物學(xué)研究機(jī)構(gòu)中,以天津大學(xué)、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院等機(jī)構(gòu)為專利和論文產(chǎn)出的主力軍,其余各地著名高校在專利和論文產(chǎn)出方面也發(fā)揮著重要作用。

表1:我國(guó)合成生物學(xué)主要研究機(jī)構(gòu)

來源:火石創(chuàng)造數(shù)據(jù)庫(kù),截至2021年9月底

合成生物學(xué)領(lǐng)域近5年來成為投資熱點(diǎn),資本和市場(chǎng)的目光正在向合成生物的技術(shù)應(yīng)用層面聚焦。2017-2018年歷年融資數(shù)量和金額達(dá)到峰值,多家創(chuàng)新企業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)內(nèi)合成生物學(xué)代表性企業(yè)如表2所示,主要集中在長(zhǎng)三角地區(qū)、北京和深圳等地。

表2:國(guó)內(nèi)合成生物學(xué)代表性企業(yè)

來源:根據(jù)公開資料整理,排名不分先后

04發(fā)展區(qū)域

在過去10年中,許多高校和科研機(jī)構(gòu)在合成生物學(xué)領(lǐng)域都有實(shí)際舉措,最為集中的是上海、深圳和天津。其中,深圳市近年來力推合成生物產(chǎn)業(yè),在重大科技基礎(chǔ)設(shè)施、研究機(jī)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)中心、教育、資本等環(huán)節(jié)進(jìn)一步完善深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈。

為深入貫徹深圳市委、市政府關(guān)于合成生物學(xué)的前瞻布局和工作部署,光明區(qū)于2021年10月發(fā)布了全國(guó)首個(gè)合成生物領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)扶持政策《光明區(qū)關(guān)于支持合成生物創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展的若干措施》,認(rèn)定一批合成生物科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化基地和科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園,大力支持合成生物戰(zhàn)略科技力量建設(shè)、創(chuàng)新鏈建設(shè)、產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)、生態(tài)鏈建設(shè),加快推動(dòng)光明區(qū)合成生物創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展,搶占全球生物技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)。

表3:國(guó)內(nèi)合成生物學(xué)代表性科研機(jī)構(gòu)

來源:根據(jù)公開資料整理,排名不分先后

05未來展望

合成生物學(xué)將成為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)時(shí)代的主要支柱。未來,包括先進(jìn)的基因組編輯、復(fù)雜基因網(wǎng)絡(luò)的組裝和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在內(nèi)的前沿技術(shù)的結(jié)合將把合成生物學(xué)推向下一個(gè)階段。在細(xì)菌、酵母和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中設(shè)計(jì)具有高度復(fù)雜的相互連接的、與環(huán)境或細(xì)胞代謝相結(jié)合的合成基因回路和途徑,將會(huì)提供前所未有的傳感器處理和生產(chǎn)能力,為生物制藥和細(xì)胞療法帶來新的機(jī)遇。

由于新冠疫情的流行,生物威脅和生物安全相關(guān)的概念正受到前所未有的關(guān)注和討論,這也是我國(guó)合成生物學(xué)的重點(diǎn)研究的方向之一。 

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—END—    作者 | 火石創(chuàng)造 陳鈺妍、胡欽偉 審核 | 火石創(chuàng)造 廖義桃、殷莉編輯 | 火石創(chuàng)造 張艷玲運(yùn)營(yíng) | 火石創(chuàng)造 黃淑萍如需轉(zhuǎn)載,請(qǐng)留言申請(qǐng)