合成生物學（Synthetic Biology）被視為繼“DNA雙螺旋結構的發現”和“人類基因組計劃”后第三次生物技術革命，融合了生命科學、工程學、基因組學、信息學、數學、化學、計算機科學等諸多學科，在醫藥、能源、材料、化工、農業等領域具有極其廣闊的應用前景，已成為世界各國科技競爭主戰場之一。總體而言，合成生物學可概括為通過構建具有期望功能的生物系統，生產各種人類需要的物品。本期我們走近合成生物學，一探它的“前世今生”。
圖1 三次生物技術革命
追本求源：合成生物學的歷程變遷
合成生物學自概念提出到現在發展歷史已超百年。最早可溯源至19世紀中葉合成化學的出現打破無機物和有機物的界限，推翻“生命力論”,顛覆了人類對生命體（動物、植物、微生物等）的認知。此后，“細胞學說”“生物化學”“遺傳學說”等相繼提出，人類從細胞層面、分子層面實現對生命體認識的飛躍，合成生物學亦隨之演化。總體看，合成生物學發展歷程大致可分為三大階段：
圖2 合成生物學發展歷程
縱觀學科起源和發展歷程，合成生物學的崛起以其鮮明的“工程學本質”特征，顛覆了以發現描述和定性分析為主的傳統生物學研究范式，除對原有生命科學與代謝工程的“延長線”式發展外，更是將原有生物技術上升到了工程化、系統化和標準化的高度，開啟了可定量、可計算、可預測及工程化的新時代[1]。
洞若觀火：合成生物相關概念辨析
從技術演變看，生物技術、合成生物技術與基因編輯技術存在包含與被包含的關系。
圖3 合成生物技術與生物技術、基因編輯技術關系圖
從產業范疇看，合成生物學是生物制造最重要的底層技術之一，生物制造是合成生物技術的主要應用場景。合成生物制造隸屬于生物制造，與生物醫藥產業存在交叉重疊的關系。
圖4 合成生物制造與生物制造、生物醫藥關系圖
本期結語
合成生物學作為新興學科提出時日不長、涉及領域廣，其定義仍見仁見智、尚未形成共識。在此，我們引用科技部“合成生物學”重點專項項目申報指南中的定義進行總結：“合成生物學是以工程化設計理念，對生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成”。
結合合成生物制造流程來看，其本質就是“細胞工廠”，通過基因技術編輯底盤細胞，將生物碳基原料置于底盤細胞中進行發酵，之后采用多種技術將發酵產品從發酵液或者細胞中分離、純化出來，在達到特定標準后制成產品。更通俗地理解，底盤細胞相當于奶牛，各種原料相當于低價值的草料，通過改造優化過的底盤細胞，添加低廉原料后經過發酵等一系列工藝產生的高價值的化學或生物產品。
圖5 合成生物制造流程
總體看，合成生物學突破了生物體的自然局限，使其擁有滿足人類需求的生物功能，可利用高效能量和高效物質合成的能力，解決人類面臨的食品缺乏、能源緊缺、環境污染、醫療健康等多方面的問題。目前，政產學研各方均在共同努力，持續發力加速合成生物學底層和共性技術突破，力促其轉化應用和產業化發展，我們期待合成生物學未來在科技、產業、社會、生態等領域創造更高的價值。下一期，我們將對國內外合成生物學戰略部署和產業謀劃等情況進行追蹤。
參考資料
[1] 《中國合成生物學2035發展戰略》，北京，科學出版社
[2] 本文圖片來源于公開資料，北國咨整理。
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