合成生物学赋能：从学科发展到产业转化

中国网/中国发展门户网讯 近年来，随着基因组“读”“写”“编”能力的提升，以及人工智能的助力，生命系统“计算”和“设计”的理论和技术不断突破，使得人们对生命系统的研究逐渐逼近可定量、可预测、可合成的理想高度。生物制造、生物医药、生物农业、生态环境等领域的应用解决方案也在持续迭代和突破，合成生物学的创新生态从学科发展到产业转化的会聚研究过程中不断完善，其对人类社会与经济发展的赋能潜质日益凸显。这种通过合成生物学赋能改变社会生产力乃至生活方式的态势，具有前所未有的深度和广度，必然与原有的社会经济与文化环境产生冲突，要求我们适时适地调整或重构生态系统与治理体系。在推动合成生物学发展的同时，必须规范研究范畴、明确伦理底线，确保研究成果能够顺利赋能生命科学研究和生物医药产业的健康、快速发展，最终造福国家和人民。

“建物致知”的深入，开启理解生命的新途径

合成生物学基础研究的深入与使能技术的创新相辅相成，两者的融合不断提升“建物致知”的能级。一方面，实验室自动化水平的提升、人工智能的运用使基于黑箱模型的生命系统设计与构建能力得到显著进步，为解析结构相变、功能涌现的原理提供了关键线索。另一方面，跨层级的功能涌现研究逐步向系统化、定量化迈进，又促进了假说驱动与数据驱动研究范式的深度融合，加深了对生命系统复杂性的理解。

脱氧核糖核酸（DNA）存储能力的增强，是基因组“读”“写”技术的综合体现。近年来，研究人员已将10幅敦煌壁画信息写入DNA中，并利用基于德布莱英图理论设计的序列重建方法解决了DNA断裂等问题。通过光遗传学技术的运用，已经可以捕获空间信息，并将信息作为输入信号储存到活细胞的DNA。2023年，国际“酵母基因组合成计划”（Sc2.0计划）已经完成酵母16条染色体和1条特殊设计的转运核糖核酸（tRNA）全新染色体的设计与合成。

随着人工智能的广泛运用，在加速基因组“读”“写”“编”能力的同时，开辟了分子建模和预测的新方向，提高了元件设计的效率和精准度，拓展了新型生物元件开发的空间。从头开始的蛋白质设计已经成为一种成熟且实用的工具，并广泛运用于酶和蛋白的定制设计中；机器学习的引入为序列、结构与功能的关联构建提供了深入的理解，推动基于结构的蛋白质设计算法取得显著进步。例如，扩散模型此前主要用于基于文本生成图像的神经网络模型中，如今该算法已扩展到生物学领域，用于从海量的真实结构中识别并消除噪声、辨别结构元素；人工智能公司DeepMind发布的新一代模型AlphaFold-latest，能够实现配体（小分子）、蛋白质、核酸、翻译后修饰的生物分子等结构的精准预测，另一模型AlphaMissense则能够利用蛋白质序列和结构信息，识别致病的错义突变和未知的致病基因序列。

在赋能元件设计的同时，人工智能与自动化平台的结合极大地增强了理性设计的能力。这些使能技术不仅提升了发现全新无机化合物的能力，而且显著提升了化合物的合成速度和准确性。与以往需要数月才能完成的合成相比，集成平台可将工作时间缩短至1天。

“建物致用”的拓展，为人类社会的全面发展提供强大动力

合成生物学相关工具和技术的应用为化工、材料、医药、食品、农业、环境等诸多领域的发展带来了全新的解决方案。

生物制造领域的应用

近年来，生物制造成为各国共同关注并大力发展的领域。2023年，我国《“十四五”生物经济发展规划》中明确提出“推动合成生物学技术创新，突破生物制造菌种计算设计、高通量筛选、高效表达、精准调控等关键技术”。美国发布《推动生物技术和生物制造创新以实现可持续、安全和可靠的美国生物经济》行政令，提出发展可持续、安全和有保障的生物经济，并启动超过20亿美元支持生物技术和生物制造的国家计划。

生物基化学品与生物材料作为生物制造的核心产品，其原料来源广泛，包括纤维素、农业废弃物、二氧化碳等，在可持续发展中发挥着重要作用。2023年，研究人员利用多重CRISPR基因编辑技术，成功改良了木质原料的木质素成分和木材特性，为生物制造领域提供了更多可持续利用的原材料。同时，预处理和发酵流程的综合优化，使得木薯皮废料能高效转化为生物基材料。值得一提的是，我国研究人员在全球范围内率先利用合成生物技术耦合化学催化技术，实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

在原料开发取得突破的同时，生物基产品的开发也取得令人瞩目的进展。例如，Conagen公司实现了99%纯度的红景天苷、高纯度的萝卜硫素、维生素K2、二氢白藜芦醇以及稀有染料骨螺紫等的商业化生产；LanzaTech公司等利用无细胞制造、二氧化碳生物转化，实现了高值化学品的生产。

医药健康领域的应用

在医药健康领域，合成生物学的运用赋能了工程化智能细胞、活菌疗法、基因治疗、新型疫苗、新型诊断、药物合成等多个领域的发展。

合成生物学与人工智能的融合运用，为患者提供了更有效、精确和个性化的治疗方案。基于理性设计的诊治中： 在底盘细胞利用方面，研究人员成功利用肿瘤定植菌引导并增强了嵌合抗原受体T细胞（CAR-T细胞）的募集，新型工程菌已用于直肠癌和肠道癌检测； 在细胞与基因治疗方面，Beam Therapeutics公司的基因编辑药物、Codagenix公司的工程化细胞疗法、Synlogic公司的工程菌等产品已进入临床试验阶段，英国药品和医疗保健产品监管局（MHRA）与美国食品药品管理局（FDA）先后批准了Vertex Pharmaceuticals公司和CRISPR Therapeutics公司研究开发的CRISPR/Cas9基因编辑疗法Casgevy的上市。

在药物研发、临床应用和产业化方面，青蒿酸的人工细胞工厂合成堪称21世纪初奠定合成生物学学科基础并展示其赋能生物技术潜力的标志性成果。此后，由于这一领域巨大的潜在应用前景及实现突破面临的重大挑战，天然化合物人工细胞工厂合成逐渐成为合成生物学研究的热点之一，创新成果层出不穷。例如，研究人员通过构建高产萜类化合物的解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica），使角鲨烯的滴度增加了1300倍。Amyris公司开发的半生物合成疫苗级角鲨烯的方法，不仅达到千克级的合成要求，产物质量完全符合《欧洲药典》标准。国内外一批制药企业，如Double Rainbow公司、Demetrix公司、伊犁川宁生物技术股份有限公司、普利制药股份有限公司等，也实现了天麻素、医用大麻素、红景天苷等产品的商业化生产。

紫杉醇生物合成途径解析和合成方面的进展是通过人工底盘细胞重构并解析复杂天然化合物生物合成途径方面“建物致知”策略的成功案例，也将为天然化合物合成生物制造开辟“建物致用”的新前景。紫杉醇是人类迄今为止开发的最有效的、来自天然植物产物的抗癌药物之一，其异常复杂的化学结构导致其生物合成途径解析研究进展缓慢。在过去数十年里，欧美国家解析了其生物合成途径中涉及的多个细胞色素P450单加氧酶、酰基转移酶和变位酶等，但仍因部分关键功能基因的缺位，导致其全路径生物合成解析未能完成。经过10余年坚持不懈的努力，我国科学家利用酵母和烟草底盘细胞合成平台，汇聚有机化学和计算科学，整合基因组学、生物化学、分子生物学的技术手段，成功挖掘并表征了部分已知生物元件的新功能，发现并解析了若干新的关键催化酶，实现了紫杉醇核心骨架的完整生物路线解析，并在烟草中通过最少基因实现了生物合成。这些研究突破为阐明完整的紫杉醇生物合成途径奠定了坚实的基础。

食品领域的应用

利用合成生物学技术，可以设计和构建出具有高效合成特定食品原料或组分能力的细胞工厂，确保食品的高质量供给，降低对环境资源的依赖和使用，不仅提高了生产效率，还能改良食品的营养与风味。未来，合成生物技术的进步有望提升包括透明质酸、母乳寡糖等天然产物的生产能力，从而推动营养成分产量的提升，突破工艺瓶颈。同时，随着质构仿真、营养优化、风味调节等方面的技术进步，新植物资源食品在营养、风味与口感等多方面都将得到优化和提升。

植物肉作为更环保低碳的蛋白质来源，正逐渐受到食品行业的关注。研究人员发现，植物蛋白经过物理交联转化为微凝胶后，其润滑性得到显著提升，改善了植物肉的口感。研究人员利用仅编辑已有基因、无需引入外源基因的策略，成功培育出能够自身产生生长因子的牛肌肉细胞。多家企业已成功推出获批上市的产品，包括Eat Just公司研发的细胞培养鸡肉、Remilk公司推出的无动物牛奶“Cow-Free”、Solar Foods公司利用微生物发酵技术生产的替代蛋白Solein®等。

农业领域的应用

合成生物学技术有望解决传统农业面临的资源限制和生产瓶颈，提供革命性的解决方案，如改善光合作用效率、生物固氮能力、生物抗逆性、生物催化问题等。同时，创制高产、优质、高效的新品种和开发节能减排、安全环保的新工艺，培育和推动细胞农业、低碳农业和智能农业等新业态发展。

在作物育种方面，合成生物学的方法为育种学家带来了梦寐以求的研究突破，即显著提升了光合效率。尽管光合作用需要光，但当光强超过光合作用所能利用的量时，会产生高能自由基，导致光破坏；植物在自然选择中进化出一种光保护机制，通过以热的形式耗散光能来减轻光破坏。然而，这种机制对于作物产量会产生负面效应，这是因为大田中叶片接收的光照时刻在变化，当作物从高光转到低光时，光保护转换速度会限制作物的光合效率及产量。针对这一问题，美国伊利诺伊大学研究人员利用合成生物学的方法，通过过表达影响光能热耗散的3个基因，成功加快了在光强变化时植物光保护状态的转变速度，并首先在烟草中实现光合效率、生物量及产量的提升。此后，该技术在大豆中进行应用，又实现20%以上的大豆增产，在产量最高的区域增产达33%，并且没有影响大豆质量。鉴于光保护机制在高等植物中的高度保守性，该改造策略被认为是当代作物增产的一条通用途径。尽管在烟草、大豆中，改造光保护机制提高了光合效率、生物量及产量，但在一些植物中并没有产生预期的增产效果。因此，针对光保护机制的研究已经成为当前植物合成生物学领域的国际竞争热点之一。2023年，我国研究人员开发的大片段DNA精准定点插入新工具PrimeRoot，该工具实现了在水稻和玉米中长达11.1×103个碱基对的大片段DNA高效且精准的定点插入，其效率可达6%。此外，研究人员还利用合成生物学技术，将水稻种子的油脂含量从2.3%提升至11.7%，单粒种子油脂含量提升至1毫克。

在产品上市审批方面，2023年，英国政府颁布的《基因技术（精准育种）法案》允许在英格兰地区使用基因编辑等技术改变生物体的遗传密码，使植物获得抗旱、抗病等能力；同时，该方案也允许通过基因编辑等技术对动物进行精准育种。这些经过精准育种技术培育的动物、植物将不再受到英国对基因改造生物（GMOs）监管要求的约束，标志着欧洲在基因编辑和精准育种领域政策的重要转变。2023年底，我国农业农村部发布的第732号公告与739号公告中，包括51个转基因玉米、转基因大豆品种等通过国家品种审定，并首次批准发放了26家企业的转基因玉米、大豆种子生产经营许可证。这一系列举措标志着我国转基因作物商业化种植即将进迈入新的阶段，有望推动农业生产的科技创新和可持续发展。

环境领域的应用

元件进化、单细胞重构、合成微生物组等应用，为应对当前环境挑战提供了强有力的解决方案，并为开发生物传感器、提高生物修复效能提供了重要支撑。

聚对苯二甲酸乙酯（PET）是一种常见但不易自然降解的塑料，广泛应用于制造塑料瓶和纺织品。研究人员成功开发出全细胞生物催化剂，能够利用快速生长、无致病性、中等嗜盐性的营养弧菌，在海水环境中解聚PET。此外，研究人员还创新设计了马铃薯剂量开关，利用植物的天然DNA损伤反应机制来产生荧光输出，构建的植物传感器可用于检测低剂量的电离辐射。

目前，生物合成产品的环境释放案例尚不多见，其中一个典型代表是Oxitec公司研发的转基因蚊。该转基因蚊释放的审批过程涉及释放的环境评估、释放地政府的严格审查，包括技术的科学评估及释放区域的公众参与等。从整体上看，基于合成生物学的环境检测与生物修复技术的应用在广泛性、空间适应性、生物安全等方面仍面临挑战。未来的应用与发展需要更加关注生物传感与环境检测、污染物多靶点和细胞毒性评价、微生物改造和污染物生物降解、人工多细胞系统构建和生物修复等方面。

在环境评估方面，欧盟委员会联合研究中心对98种新兴生物基材料及其对应的化石基材料进行了对比分析。结果显示，生物基材料的碳足迹比化石基材料平均降低了45%，但没有任何材料制作的产品能达到净零排放的要求，且生物基产品还存在增加土地富营养化的风险。针对这一发现，该团队强调了全面评估单个生物基产品环境可持续性的重要性。另外，对遗传改造生物的环境释放监管应采取审慎的态度，需要系统分析种群动态及多样性、种群范围、宿主行为、生物学等因素。为满足实验室研究、实地研究、释放准备等不同阶段的精细化监管要求，应构建更加综合且全面的环境评估体系。

会聚生态的构建，为合成生物学的赋能提供创新环境

发展现状

为了推动生物技术革命，提升人类自身能力，并充分释放合成生物学赋能的潜质，需要重新审视目前的研发体系，革新现有的组织管理模式，并促进创新生态系统的建立。这样才能确保产—学—研的合作机制、监管政策等与合成生物学领域的会聚特点与赋能潜质相契合。

为推动未来生物经济的发展，欧美各国纷纷制定合成生物学发展路线图，以加强该领域的战略布局。美国于2023年发布《生物技术与生物制造宏大目标》，以响应2022年美国总统签署的行政令。该报告在优化气候变化解决方案、提升食品生产供给能力、提高产业链与供应链弹性、促进生命健康产业发展及推进交叉领域发展5个核心领域，提出49个具体目标和21个发展方向。为实现这些目标，该报告明确提出：20年内，生物基替代品至少取代90%以上的塑料和商业聚合物的使用；通过生物制造方式满足至少30%的化学品需求；利用合成生物学、生物制造和工程化生物的手段扩大细胞疗法规模，并将制造成本降低10倍；在5年内实现100万种微生物的基因组测序，并至少了解80%新发现基因的功能。

为实现生物经济的战略目标，除技术研发外，构建合理的治理体系同样至关重要。与基因工程技术相比，合成生物学的会聚程度更高、赋能能力更强；利用合成生物学技术开发的产品的类型更多，涉及的产业类型更广；产品的质量指标更精准，具有更高阶的关键工艺参数，或需要更先进的检测技术，这也使得产品的安全性、稳定性、一致性测试或评价的传统规范或理念受到挑战。因此，合成生物学时代的监管面临越来越多、越来越复杂的难题，需要分门别类地对各领域的知识产权、标准体系、伦理审查、安全指南、产品准入、市场监管等进行分析，探索适用于不同应用场景的协同机制。医药领域。细胞与基因治疗产品因其在体内具有一定的复制能力，需要完善的有效性（高期望性）、安全性（不确定性或高风险性）、稳定性（一致性）的科学评价与监管方法。FDA于2024年1月发布了关于《基因编辑疗法和CAR-T疗法开发指南》，该指南明确了FDA对使用加速批准通道支持基因编辑疗法开发的立场，阐述了对疗法的化学、生产和控制（CMC），临床前研究和临床试验等多个方面的思考；同时，提供了关于CAR-T细胞产品的CMC、药理学、毒理学与临床试验设计的具体建议，以及针对表达多个转基因元件的CAR-T细胞的效力、稳定性研究与临床监测的细节建议。2021年，我国政府陆续发布了试行的相关指导原则，为免疫细胞治疗与基因修饰细胞治疗的相关产品开发提供重要的配套政策支持，也为相关产品的审批和广泛应用提供了明确的指导和依据。食品领域。利用合成生物学技术生产的、原先已上市的植物来源或天然来源的食品原料成分，可能在食品原料杂质检测或评估等方面或与传统方法有所不同。对该类产品的监管既需要与现有监管政策进行衔接，也需要根据技术发展和产品特点适度加以更新。2023年10月，我国首次批准母乳低聚糖（HMO）作为“食品营养强化剂”，允许其添加到调制乳粉（仅限儿童用乳粉）、婴儿配方食品、较大婴儿和幼儿配方食品，以及特殊医学用途婴儿配方食品中。这将有助于推动合成生物学在功能性食品添加剂领域的研发与创新，促进相关产业链的发展。

政策建议

为进一步推动我国合成生物学科技与产业的高质量发展，建议围绕国家战略需求，着眼国家未来竞争力，结合合成生物学领域发展规律和趋势，制定相应的中长期规划和发展路线图，凝练关键科学问题，明确重点领域和优先方向。

聚焦前沿，勇闯新路。研究不能总是跟着他人的脚步做延长线的工作，而应积极寻求创新和突破。可以利用定量合成生物学的手段，结合基于大数据的人工智能，推动生命科学理论研究的发展。

需求牵引，突破瓶颈。从我国合成生物学产业和生物经济发展需求出发，组织实施以产业关键技术需求为导向的重大科技任务攻关，重点攻克未来影响国家安全、影响国家重大战略目标的核心技术。

多方支持，打通全链。合成生物学技术要有效转化为实际的生产力，不仅需要政府、企业、基金会等多方的支持与投入，还需要探索构建项目、平台、人才、资金等全要素一体化配置的创新服务体系，建立平台化支撑、企业化管理、市场化运营的科技支撑和产业转化模式，营造良好的科学、经济、社会生态环境，才能确保从技术研发的“最先一公里”到实际应用的“最后一公里”能够高效、顺畅地衔接，真正实现合成生物学技术的价值转化，促进生产力提升。

（作者：熊燕、马雪晴、陈大明，中国科学院上海营养与健康研究所 中国科学院大学；刘晓，中国科学院上海营养与健康研究所；赵国屏，中国科学院上海营养与健康研究所 中国科学院分子植物科学卓越创新中心。《中国科学院院刊》供稿）

【责任编辑：殷晓霞】

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