合成生物學概念、分類及發展歷史回顧

合成生物學（synthetic biology），又稱為工程生物學，該學科是結合了生命科 學觀察分析方法和工程學設計思維的學科。

在生物合成基本規律的基礎上，通過工程 方法設計新的生物系統，或者改造舊的生物代謝過程，甚至從頭合成有特定功能的生 物系統，從而實現新的功能或者新物質合成。 縱觀合成生物學，包含了生物學、化學、信息學、工程學、數學和計算模型的科 學工具和原理，是 21 世紀生物學領域的新型交叉學科，被稱為繼“DNA 雙螺旋結 構”、“基因組技術”之后的第三次生物科技革命。 與化學合成法相比，合成生物學工藝符合低碳發展的方向，在合適工藝條件下， 能夠以較低成本，較高效率的方式來運作。相較于天然提取法，合成生物學在合適工 藝條件下也表現出效率高，成本低，非資源依賴等特點。但目前全球的合成生物學仍 處于發展的初級階段，未來機遇與挑戰并存。

與傳統生物學通過解剖生命體以研究其內在構造的方法不同，合成生物學則是從 最基本的要素開始一步步的建立零部件。按照合成底層技術不同，合成生物學可以分 為基于細胞的合成生物學以及無細胞合成生物學（cell-free syntheticbiology）。前 者是利用活體工程細菌來構建細胞工廠從而生產出所需物質。后者利用非生物系統， 在體外添加 DNA 模板以維持基因轉錄、蛋白質翻譯或代謝過程運轉，從而合成目標產 品。 面對合成生物學難以標準化、不可預見性、不相容性及高復雜度的挑戰，無細胞 合成生物學手段展現其優秀特質，能夠只專注于目標代謝網絡/目標產物合成路線，元 件相容性更高且更易實行標準化操作，結合工程化技術提供最大化合成效率及效益。

1953 年，Miller 通過放電合成氨基酸，模擬原始地球的有機物發生過程； 1965 年，中國合成了第一個人工合成蛋白質，結晶牛胰島素； 1968 年，Khorana 等合成了核苷酸及基因密碼子； 1973 年，Khorana 又合成了具有 126 個核苷酸對的大腸桿菌酪氨酸 tRNA 基因， 但并沒有轉錄功能；同年 11 月，Stanley Cohen 和 Herbert Boyle 等精準地把基因或 者 DNA 片段插入其他細胞中，從而建立了重組 DNA 技術； 1977 年，美國加州大學的 Boyer 等用化學方法合成了人生長激素抑制因子的基 因； 1978 年 Genentech 公司生產出首個用于人類胰島素的重組 DNA； 1979 年，Khorana 等合成了酪氨酸阻遏 tRNA 以及酪氨酸他 RNA 基因； 1980 年 B.Hoborn 第一次使用“合成生物學”(Synthetic Biology)作為論文題 目并發表于學術期刊上，他用“合成生物學”描述通過重組基因組技術改造的細菌仍 然能夠正常存活這一現象。 1981 年，中國合成酵母丙氨酸轉移核糖核酸； 1990 年人類基因組計劃的啟動；

2000 年，Gardner 等在大腸桿菌中構建了基因開關（Toggle switch），一個合成 的雙穩態基因調控網絡；Elowitz 等構建了第一個合成的生物振蕩器——壓縮震蕩子 （Repressilator）這兩項事件標志著合成生物學作為一項新的領域正式產生。同年， Brenner 等設計向細胞 DNA 參入天然不存在的堿基的方法來發展人工遺傳系統，支持 人工生命形式。 2000 年，庫爾（E.Kool）等學者在美國化學年會上再一次用“合成生物學”描述 生物系統中非天然存在的功能性有機分子的合成，至此合成生物學的概念才被學術界 公認并開始受到關注，但此時的合成生物學只是遺傳工程的延續，并未獨立發展。同 年，《自然》（Nature）雜志報道了人工合成基因線路研究成果。 2001 年，Schultz 實驗室向大腸桿菌蛋白質生物合成裝置中添入新的組分（tRNA/ 氨酰-tRNA 合成酶組合），使之能通過基因生成非天然的氨基酸。 2002 年，美國 Wimmer 實驗室，使用已知基因組序列，利用化學合成的方法，制 造了歷史上第一個人工合成的病毒——脊髓灰質炎病毒，實現了人工合成感染性病 毒。 2003 年，美國 J.Craig Venter 實驗室合成了 5.8×105 堿基對的生殖道支原體(Mycoplasma genitalium)全基因組，首次實現了人工合成微生物基因組。同年 7 月， Keasling 等在美國勞倫斯伯克利國家實驗室設立合成生物學部，并在大腸桿菌中成功 地建立了合成青蒿素的網絡，使得青蒿素的價格降低到原來的 1/10。

2004 年，第一次合成生物學會議在美國麻省理工學院舉行，同年，MIT 舉辦了第 一屆 iGEM 競賽，該競賽為合成生物學領域最高水平的國際學術競賽。 2008 年，美國 Smith 等人報道了世界上第一個完全由人工化學合成、組裝的細菌 基因組。8 月份，他們又成功地將該基因組轉入到 Mycoplasma genitalium 宿主細胞 中，獲得了具有生存能力的新菌株。同年，美國加州大學洛杉磯分校的研究人員以大 腸桿菌為材料，改變其氨基酸生物合成路徑，成功產出生物燃料異丁醇。 2010 年 5 月，J.Craig Venter 實驗室報道了首例“人造細胞”的誕生，并將其命 名為“辛西婭”（意為“人造兒”）。他們利用化學方法合成基因組，將其植入一個去除 原有遺傳物質的單細胞細菌(山羊支原體)中，使這個受體細胞可以在實驗室進行繁 殖，使之成為“地球上第一個由人類制造的可以進行自我復制的新物種”，向人造生命 形式邁出關鍵的一步。該研究顛覆了有關生命屬性的經典認識，在全世界引起轟動。 2010 年 12 月，Science 雜志將合成生物學評為年度十大科學突破之一。 2011 年，美國約翰霍普金斯大學醫學院等機構的研究人員首次人工合成一種真核 生物-酵母的部分基因組。該研究是世界上首次成功合成真核生物部分基因組，標志著 人工合成生物基因組的研究方向又向前邁了重要的一步。

2012 年，CRISPR-CAS9 系統發現。 2013 年，美國加州大學伯克利杰伊 D 科斯林教授課題組耗時十年，成功合成出具 有抗瘧藥性的半合成（微生物合成加化學合成）青蒿素，并由阿米瑞斯生物技術公司 商業化生產，相關研究成果發表在 2013 年 4 月 25 日英國《自然》雜志上，該成果首 次證明了 CRISPR/Cas9 系統能夠用于哺乳動物細胞基因組的編輯。 2014 年，首次人工合成酵母基因組染色體，并在酵母細胞內正常發揮功能，同年 CRISPR/Cas9 基因編輯技術獲得美國專利授權。 2015 年，美國斯坦福大學的研究人員利用基因改造的酵母，實現了阿片類藥物的 全合成，這種人造酵母的 20 多種基因來自酵母、植物和細菌，甚至還有一段來自嚙齒 類動物，它能夠把糖轉化為蒂巴因（thebaine）-嗎啡類止痛藥物的關鍵前驅體，這項 工作將復雜的代謝途徑轉移到微生物中，充分展示了合成生物學的復雜性。 2016 年，世界上首個人工合成基因組細胞生物-辛西婭 3.0 誕生，只有 473 個基 因，最簡生命成為未來人造生命的基石。 2017 年，由中國、美國、英國等多個國家科學家參與的“人工合成酵母菌基因組 計劃”取得突破性進展，成功設計并合成了釀酒酵母菌的 5 條染色體（其中 4 條由中國科學家完成），培育出一種既能存儲又能檢索的人造遺傳信息的半合成生物體，向 “全人工再造生命”邁進了一大步。這一成果刊登在 2017 年 3 月 10 日美國《科學》 雜志封面。

2023 年 3 月，Ansa Biotechnologies 公司宣布成功從頭合成出世界上最長的 DNA 寡核苷酸，該序列長達 1005 個堿基，編碼了可用于基因治療的 AAV 載體的一部分。 2023 年 3 月 22 日 英國生物技術公司 3D Bio-Tissues（3DBT）宣布成功研發出 “全球首款”100%人工培養肉排。這是一款“世界首創”，無植物支架，完全使用豬細 胞生長出來的肉排產品。 2023 年 7 月 1 日，美國領先的人工培養肉類、家禽和海鮮公司 UPSIDE Foods 宣 布，其通過真實動物細胞直接培養的雞肉已在加利福尼亞舊金山的米其林星級餐廳 Bar Crenn 首次亮相。 綜上，可以把合成生物學的發展分為四個階段，第一階段在 2005 年以前，這一階 段以基因線路在代謝工程領域的應用為代表，這一時期的典型成果是青蒿素前體在大 腸桿菌中的合成。 第二階段為 2005 年-2011 年。這一階段基礎研究快速發展，合成生物學研究開發 總體上處于工程化理念日漸深入、使能技術平臺得到重視、工程方法和工具不斷積淀 的階段，體現出“工程生物學”的早期發展特點。 第三階段為 2011-2015 年：基因組編輯的效率大幅提升，合成生物學技術開發和 應用不斷拓展，其應用領域從生物基化學品、生物能源擴展至疾病診斷、藥物和疫苗 開發、作物育種、環境監測等諸多領域。 第四階段為 2015 年及以后，合成生物學的“設計—構建—測試” 循環擴展至 “設計—構建—測試—學習” ，“半導體合成生物學” 、“工程生物學” 等理念或學 科的提出，生物技術與信息技術融合發展的特點愈加明顯。