中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 近年來，隨著基因組“讀”“寫”“編”能力的提升，以及人工智能的助力，生命系統(tǒng)“計算”和“設計”的理論和技術不斷突破，使得人們對生命系統(tǒng)的研究逐漸逼近可定量、可預測、可合成的理想高度。生物制造、生物醫(yī)藥、生物農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等領域的應用解決方案也在持續(xù)迭代和突破，合成生物學的創(chuàng)新生態(tài)從學科發(fā)展到產(chǎn)業(yè)轉化的會聚研究過程中不斷完善，其對人類社會與經(jīng)濟發(fā)展的賦能潛質日益凸顯。這種通過合成生物學賦能改變社會生產(chǎn)力乃至生活方式的態(tài)勢，具有前所未有的深度和廣度，必然與原有的社會經(jīng)濟與文化環(huán)境產(chǎn)生沖突，要求我們適時適地調整或重構生態(tài)系統(tǒng)與治理體系。在推動合成生物學發(fā)展的同時，必須規(guī)范研究范疇、明確倫理底線，確保研究成果能夠順利賦能生命科學研究和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展，最終造福國家和人民。

“建物致知”的深入，開啟理解生命的新途徑

合成生物學基礎研究的深入與使能技術的創(chuàng)新相輔相成，兩者的融合不斷提升“建物致知”的能級。一方面，實驗室自動化水平的提升、人工智能的運用使基于黑箱模型的生命系統(tǒng)設計與構建能力得到顯著進步，為解析結構相變、功能涌現(xiàn)的原理提供了關鍵線索。另一方面，跨層級的功能涌現(xiàn)研究逐步向系統(tǒng)化、定量化邁進，又促進了假說驅動與數(shù)據(jù)驅動研究范式的深度融合，加深了對生命系統(tǒng)復雜性的理解。

脫氧核糖核酸（DNA）存儲能力的增強，是基因組“讀”“寫”技術的綜合體現(xiàn)。近年來，研究人員已將10幅敦煌壁畫信息寫入DNA中，并利用基于德布萊英圖理論設計的序列重建方法解決了DNA斷裂等問題。通過光遺傳學技術的運用，已經(jīng)可以捕獲空間信息，并將信息作為輸入信號儲存到活細胞的DNA。2023年，國際“酵母基因組合成計劃”（Sc2.0計劃）已經(jīng)完成酵母16條染色體和1條特殊設計的轉運核糖核酸（tRNA）全新染色體的設計與合成。

隨著人工智能的廣泛運用，在加速基因組“讀”“寫”“編”能力的同時，開辟了分子建模和預測的新方向，提高了元件設計的效率和精準度，拓展了新型生物元件開發(fā)的空間。從頭開始的蛋白質設計已經(jīng)成為一種成熟且實用的工具，并廣泛運用于酶和蛋白的定制設計中；機器學習的引入為序列、結構與功能的關聯(lián)構建提供了深入的理解，推動基于結構的蛋白質設計算法取得顯著進步。例如，擴散模型此前主要用于基于文本生成圖像的神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，如今該算法已擴展到生物學領域，用于從海量的真實結構中識別并消除噪聲、辨別結構元素；人工智能公司DeepMind發(fā)布的新一代模型AlphaFold-latest，能夠實現(xiàn)配體（小分子）、蛋白質、核酸、翻譯后修飾的生物分子等結構的精準預測，另一模型AlphaMissense則能夠利用蛋白質序列和結構信息，識別致病的錯義突變和未知的致病基因序列。

在賦能元件設計的同時，人工智能與自動化平臺的結合極大地增強了理性設計的能力。這些使能技術不僅提升了發(fā)現(xiàn)全新無機化合物的能力，而且顯著提升了化合物的合成速度和準確性。與以往需要數(shù)月才能完成的合成相比，集成平臺可將工作時間縮短至1天。

“建物致用”的拓展，為人類社會的全面發(fā)展提供強大動力

合成生物學相關工具和技術的應用為化工、材料、醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等諸多領域的發(fā)展帶來了全新的解決方案。

生物制造領域的應用

近年來，生物制造成為各國共同關注并大力發(fā)展的領域。2023年，我國《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“推動合成生物學技術創(chuàng)新，突破生物制造菌種計算設計、高通量篩選、高效表達、精準調控等關鍵技術”。美國發(fā)布《推動生物技術和生物制造創(chuàng)新以實現(xiàn)可持續(xù)、安全和可靠的美國生物經(jīng)濟》行政令，提出發(fā)展可持續(xù)、安全和有保障的生物經(jīng)濟，并啟動超過20億美元支持生物技術和生物制造的國家計劃。

生物基化學品與生物材料作為生物制造的核心產(chǎn)品，其原料來源廣泛，包括纖維素、農(nóng)業(yè)廢棄物、二氧化碳等，在可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。2023年，研究人員利用多重CRISPR基因編輯技術，成功改良了木質原料的木質素成分和木材特性，為生物制造領域提供了更多可持續(xù)利用的原材料。同時，預處理和發(fā)酵流程的綜合優(yōu)化，使得木薯皮廢料能高效轉化為生物基材料。值得一提的是，我國研究人員在全球范圍內率先利用合成生物技術耦合化學催化技術，實現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。

在原料開發(fā)取得突破的同時，生物基產(chǎn)品的開發(fā)也取得令人矚目的進展。例如，Conagen公司實現(xiàn)了99%純度的紅景天苷、高純度的蘿卜硫素、維生素K2、二氫白藜蘆醇以及稀有染料骨螺紫等的商業(yè)化生產(chǎn)；LanzaTech公司等利用無細胞制造、二氧化碳生物轉化，實現(xiàn)了高值化學品的生產(chǎn)。

醫(yī)藥健康領域的應用

在醫(yī)藥健康領域，合成生物學的運用賦能了工程化智能細胞、活菌療法、基因治療、新型疫苗、新型診斷、藥物合成等多個領域的發(fā)展。

合成生物學與人工智能的融合運用，為患者提供了更有效、精確和個性化的治療方案。基于理性設計的診治中： 在底盤細胞利用方面，研究人員成功利用腫瘤定植菌引導并增強了嵌合抗原受體T細胞（CAR-T細胞）的募集，新型工程菌已用于直腸癌和腸道癌檢測； 在細胞與基因治療方面，Beam Therapeutics公司的基因編輯藥物、Codagenix公司的工程化細胞療法、Synlogic公司的工程菌等產(chǎn)品已進入臨床試驗階段，英國藥品和醫(yī)療保健產(chǎn)品監(jiān)管局（MHRA）與美國食品藥品管理局（FDA）先后批準了Vertex Pharmaceuticals公司和CRISPR Therapeutics公司研究開發(fā)的CRISPR/Cas9基因編輯療法Casgevy的上市。

在藥物研發(fā)、臨床應用和產(chǎn)業(yè)化方面，青蒿酸的人工細胞工廠合成堪稱21世紀初奠定合成生物學學科基礎并展示其賦能生物技術潛力的標志性成果。此后，由于這一領域巨大的潛在應用前景及實現(xiàn)突破面臨的重大挑戰(zhàn)，天然化合物人工細胞工廠合成逐漸成為合成生物學研究的熱點之一，創(chuàng)新成果層出不窮。例如，研究人員通過構建高產(chǎn)萜類化合物的解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica），使角鯊烯的滴度增加了1300倍。Amyris公司開發(fā)的半生物合成疫苗級角鯊烯的方法，不僅達到千克級的合成要求，產(chǎn)物質量完全符合《歐洲藥典》標準。國內外一批制藥企業(yè)，如Double Rainbow公司、Demetrix公司、伊犁川寧生物技術股份有限公司、普利制藥股份有限公司等，也實現(xiàn)了天麻素、醫(yī)用大麻素、紅景天苷等產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)。

紫杉醇生物合成途徑解析和合成方面的進展是通過人工底盤細胞重構并解析復雜天然化合物生物合成途徑方面“建物致知”策略的成功案例，也將為天然化合物合成生物制造開辟“建物致用”的新前景。紫杉醇是人類迄今為止開發(fā)的最有效的、來自天然植物產(chǎn)物的抗癌藥物之一，其異常復雜的化學結構導致其生物合成途徑解析研究進展緩慢。在過去數(shù)十年里，歐美國家解析了其生物合成途徑中涉及的多個細胞色素P450單加氧酶、酰基轉移酶和變位酶等，但仍因部分關鍵功能基因的缺位，導致其全路徑生物合成解析未能完成。經(jīng)過10余年堅持不懈的努力，我國科學家利用酵母和煙草底盤細胞合成平臺，匯聚有機化學和計算科學，整合基因組學、生物化學、分子生物學的技術手段，成功挖掘并表征了部分已知生物元件的新功能，發(fā)現(xiàn)并解析了若干新的關鍵催化酶，實現(xiàn)了紫杉醇核心骨架的完整生物路線解析，并在煙草中通過最少基因實現(xiàn)了生物合成。這些研究突破為闡明完整的紫杉醇生物合成途徑奠定了堅實的基礎。

食品領域的應用

利用合成生物學技術，可以設計和構建出具有高效合成特定食品原料或組分能力的細胞工廠，確保食品的高質量供給，降低對環(huán)境資源的依賴和使用，不僅提高了生產(chǎn)效率，還能改良食品的營養(yǎng)與風味。未來，合成生物技術的進步有望提升包括透明質酸、母乳寡糖等天然產(chǎn)物的生產(chǎn)能力，從而推動營養(yǎng)成分產(chǎn)量的提升，突破工藝瓶頸。同時，隨著質構仿真、營養(yǎng)優(yōu)化、風味調節(jié)等方面的技術進步，新植物資源食品在營養(yǎng)、風味與口感等多方面都將得到優(yōu)化和提升。

植物肉作為更環(huán)保低碳的蛋白質來源，正逐漸受到食品行業(yè)的關注。研究人員發(fā)現(xiàn)，植物蛋白經(jīng)過物理交聯(lián)轉化為微凝膠后，其潤滑性得到顯著提升，改善了植物肉的口感。研究人員利用僅編輯已有基因、無需引入外源基因的策略，成功培育出能夠自身產(chǎn)生生長因子的牛肌肉細胞。多家企業(yè)已成功推出獲批上市的產(chǎn)品，包括Eat Just公司研發(fā)的細胞培養(yǎng)雞肉、Remilk公司推出的無動物牛奶“Cow-Free”、Solar Foods公司利用微生物發(fā)酵技術生產(chǎn)的替代蛋白Solein?等。

農(nóng)業(yè)領域的應用

合成生物學技術有望解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨的資源限制和生產(chǎn)瓶頸，提供革命性的解決方案，如改善光合作用效率、生物固氮能力、生物抗逆性、生物催化問題等。同時，創(chuàng)制高產(chǎn)、優(yōu)質、高效的新品種和開發(fā)節(jié)能減排、安全環(huán)保的新工藝，培育和推動細胞農(nóng)業(yè)、低碳農(nóng)業(yè)和智能農(nóng)業(yè)等新業(yè)態(tài)發(fā)展。

在作物育種方面，合成生物學的方法為育種學家?guī)砹藟裘乱郧蟮难芯客黄疲达@著提升了光合效率。盡管光合作用需要光，但當光強超過光合作用所能利用的量時，會產(chǎn)生高能自由基，導致光破壞；植物在自然選擇中進化出一種光保護機制，通過以熱的形式耗散光能來減輕光破壞。然而，這種機制對于作物產(chǎn)量會產(chǎn)生負面效應，這是因為大田中葉片接收的光照時刻在變化，當作物從高光轉到低光時，光保護轉換速度會限制作物的光合效率及產(chǎn)量。針對這一問題，美國伊利諾伊大學研究人員利用合成生物學的方法，通過過表達影響光能熱耗散的3個基因，成功加快了在光強變化時植物光保護狀態(tài)的轉變速度，并首先在煙草中實現(xiàn)光合效率、生物量及產(chǎn)量的提升。此后，該技術在大豆中進行應用，又實現(xiàn)20%以上的大豆增產(chǎn)，在產(chǎn)量最高的區(qū)域增產(chǎn)達33%，并且沒有影響大豆質量。鑒于光保護機制在高等植物中的高度保守性，該改造策略被認為是當代作物增產(chǎn)的一條通用途徑。盡管在煙草、大豆中，改造光保護機制提高了光合效率、生物量及產(chǎn)量，但在一些植物中并沒有產(chǎn)生預期的增產(chǎn)效果。因此，針對光保護機制的研究已經(jīng)成為當前植物合成生物學領域的國際競爭熱點之一。2023年，我國研究人員開發(fā)的大片段DNA精準定點插入新工具PrimeRoot，該工具實現(xiàn)了在水稻和玉米中長達11.1×103個堿基對的大片段DNA高效且精準的定點插入，其效率可達6%。此外，研究人員還利用合成生物學技術，將水稻種子的油脂含量從2.3%提升至11.7%，單粒種子油脂含量提升至1毫克。

在產(chǎn)品上市審批方面，2023年，英國政府頒布的《基因技術（精準育種）法案》允許在英格蘭地區(qū)使用基因編輯等技術改變生物體的遺傳密碼，使植物獲得抗旱、抗病等能力；同時，該方案也允許通過基因編輯等技術對動物進行精準育種。這些經(jīng)過精準育種技術培育的動物、植物將不再受到英國對基因改造生物（GMOs）監(jiān)管要求的約束，標志著歐洲在基因編輯和精準育種領域政策的重要轉變。2023年底，我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的第732號公告與739號公告中，包括51個轉基因玉米、轉基因大豆品種等通過國家品種審定，并首次批準發(fā)放了26家企業(yè)的轉基因玉米、大豆種子生產(chǎn)經(jīng)營許可證。這一系列舉措標志著我國轉基因作物商業(yè)化種植即將進邁入新的階段，有望推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科技創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展。

環(huán)境領域的應用

元件進化、單細胞重構、合成微生物組等應用，為應對當前環(huán)境挑戰(zhàn)提供了強有力的解決方案，并為開發(fā)生物傳感器、提高生物修復效能提供了重要支撐。

聚對苯二甲酸乙酯（PET）是一種常見但不易自然降解的塑料，廣泛應用于制造塑料瓶和紡織品。研究人員成功開發(fā)出全細胞生物催化劑，能夠利用快速生長、無致病性、中等嗜鹽性的營養(yǎng)弧菌，在海水環(huán)境中解聚PET。此外，研究人員還創(chuàng)新設計了馬鈴薯劑量開關，利用植物的天然DNA損傷反應機制來產(chǎn)生熒光輸出，構建的植物傳感器可用于檢測低劑量的電離輻射。

目前，生物合成產(chǎn)品的環(huán)境釋放案例尚不多見，其中一個典型代表是Oxitec公司研發(fā)的轉基因蚊。該轉基因蚊釋放的審批過程涉及釋放的環(huán)境評估、釋放地政府的嚴格審查，包括技術的科學評估及釋放區(qū)域的公眾參與等。從整體上看，基于合成生物學的環(huán)境檢測與生物修復技術的應用在廣泛性、空間適應性、生物安全等方面仍面臨挑戰(zhàn)。未來的應用與發(fā)展需要更加關注生物傳感與環(huán)境檢測、污染物多靶點和細胞毒性評價、微生物改造和污染物生物降解、人工多細胞系統(tǒng)構建和生物修復等方面。

在環(huán)境評估方面，歐盟委員會聯(lián)合研究中心對98種新興生物基材料及其對應的化石基材料進行了對比分析。結果顯示，生物基材料的碳足跡比化石基材料平均降低了45%，但沒有任何材料制作的產(chǎn)品能達到凈零排放的要求，且生物基產(chǎn)品還存在增加土地富營養(yǎng)化的風險。針對這一發(fā)現(xiàn)，該團隊強調了全面評估單個生物基產(chǎn)品環(huán)境可持續(xù)性的重要性。另外，對遺傳改造生物的環(huán)境釋放監(jiān)管應采取審慎的態(tài)度，需要系統(tǒng)分析種群動態(tài)及多樣性、種群范圍、宿主行為、生物學等因素。為滿足實驗室研究、實地研究、釋放準備等不同階段的精細化監(jiān)管要求，應構建更加綜合且全面的環(huán)境評估體系。

會聚生態(tài)的構建，為合成生物學的賦能提供創(chuàng)新環(huán)境

發(fā)展現(xiàn)狀

為了推動生物技術革命，提升人類自身能力，并充分釋放合成生物學賦能的潛質，需要重新審視目前的研發(fā)體系，革新現(xiàn)有的組織管理模式，并促進創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的建立。這樣才能確保產(chǎn)—學—研的合作機制、監(jiān)管政策等與合成生物學領域的會聚特點與賦能潛質相契合。

為推動未來生物經(jīng)濟的發(fā)展，歐美各國紛紛制定合成生物學發(fā)展路線圖，以加強該領域的戰(zhàn)略布局。美國于2023年發(fā)布《生物技術與生物制造宏大目標》，以響應2022年美國總統(tǒng)簽署的行政令。該報告在優(yōu)化氣候變化解決方案、提升食品生產(chǎn)供給能力、提高產(chǎn)業(yè)鏈與供應鏈彈性、促進生命健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展及推進交叉領域發(fā)展5個核心領域，提出49個具體目標和21個發(fā)展方向。為實現(xiàn)這些目標，該報告明確提出：20年內，生物基替代品至少取代90%以上的塑料和商業(yè)聚合物的使用；通過生物制造方式滿足至少30%的化學品需求；利用合成生物學、生物制造和工程化生物的手段擴大細胞療法規(guī)模，并將制造成本降低10倍；在5年內實現(xiàn)100萬種微生物的基因組測序，并至少了解80%新發(fā)現(xiàn)基因的功能。

為實現(xiàn)生物經(jīng)濟的戰(zhàn)略目標，除技術研發(fā)外，構建合理的治理體系同樣至關重要。與基因工程技術相比，合成生物學的會聚程度更高、賦能能力更強；利用合成生物學技術開發(fā)的產(chǎn)品的類型更多，涉及的產(chǎn)業(yè)類型更廣；產(chǎn)品的質量指標更精準，具有更高階的關鍵工藝參數(shù)，或需要更先進的檢測技術，這也使得產(chǎn)品的安全性、穩(wěn)定性、一致性測試或評價的傳統(tǒng)規(guī)范或理念受到挑戰(zhàn)。因此，合成生物學時代的監(jiān)管面臨越來越多、越來越復雜的難題，需要分門別類地對各領域的知識產(chǎn)權、標準體系、倫理審查、安全指南、產(chǎn)品準入、市場監(jiān)管等進行分析，探索適用于不同應用場景的協(xié)同機制。醫(yī)藥領域。細胞與基因治療產(chǎn)品因其在體內具有一定的復制能力，需要完善的有效性（高期望性）、安全性（不確定性或高風險性）、穩(wěn)定性（一致性）的科學評價與監(jiān)管方法。FDA于2024年1月發(fā)布了關于《基因編輯療法和CAR-T療法開發(fā)指南》，該指南明確了FDA對使用加速批準通道支持基因編輯療法開發(fā)的立場，闡述了對療法的化學、生產(chǎn)和控制（CMC），臨床前研究和臨床試驗等多個方面的思考；同時，提供了關于CAR-T細胞產(chǎn)品的CMC、藥理學、毒理學與臨床試驗設計的具體建議，以及針對表達多個轉基因元件的CAR-T細胞的效力、穩(wěn)定性研究與臨床監(jiān)測的細節(jié)建議。2021年，我國政府陸續(xù)發(fā)布了試行的相關指導原則，為免疫細胞治療與基因修飾細胞治療的相關產(chǎn)品開發(fā)提供重要的配套政策支持，也為相關產(chǎn)品的審批和廣泛應用提供了明確的指導和依據(jù)。食品領域。利用合成生物學技術生產(chǎn)的、原先已上市的植物來源或天然來源的食品原料成分，可能在食品原料雜質檢測或評估等方面或與傳統(tǒng)方法有所不同。對該類產(chǎn)品的監(jiān)管既需要與現(xiàn)有監(jiān)管政策進行銜接，也需要根據(jù)技術發(fā)展和產(chǎn)品特點適度加以更新。2023年10月，我國首次批準母乳低聚糖（HMO）作為“食品營養(yǎng)強化劑”，允許其添加到調制乳粉（僅限兒童用乳粉）、嬰兒配方食品、較大嬰兒和幼兒配方食品，以及特殊醫(yī)學用途嬰兒配方食品中。這將有助于推動合成生物學在功能性食品添加劑領域的研發(fā)與創(chuàng)新，促進相關產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

政策建議

為進一步推動我國合成生物學科技與產(chǎn)業(yè)的高質量發(fā)展，建議圍繞國家戰(zhàn)略需求，著眼國家未來競爭力，結合合成生物學領域發(fā)展規(guī)律和趨勢，制定相應的中長期規(guī)劃和發(fā)展路線圖，凝練關鍵科學問題，明確重點領域和優(yōu)先方向。

聚焦前沿，勇闖新路。研究不能總是跟著他人的腳步做延長線的工作，而應積極尋求創(chuàng)新和突破。可以利用定量合成生物學的手段，結合基于大數(shù)據(jù)的人工智能，推動生命科學理論研究的發(fā)展。

需求牽引，突破瓶頸。從我國合成生物學產(chǎn)業(yè)和生物經(jīng)濟發(fā)展需求出發(fā)，組織實施以產(chǎn)業(yè)關鍵技術需求為導向的重大科技任務攻關，重點攻克未來影響國家安全、影響國家重大戰(zhàn)略目標的核心技術。

多方支持，打通全鏈。合成生物學技術要有效轉化為實際的生產(chǎn)力，不僅需要政府、企業(yè)、基金會等多方的支持與投入，還需要探索構建項目、平臺、人才、資金等全要素一體化配置的創(chuàng)新服務體系，建立平臺化支撐、企業(yè)化管理、市場化運營的科技支撐和產(chǎn)業(yè)轉化模式，營造良好的科學、經(jīng)濟、社會生態(tài)環(huán)境，才能確保從技術研發(fā)的“最先一公里”到實際應用的“最后一公里”能夠高效、順暢地銜接，真正實現(xiàn)合成生物學技術的價值轉化，促進生產(chǎn)力提升。

（作者：熊燕、馬雪晴、陳大明，中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所 中國科學院大學；劉曉，中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所；趙國屏，中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所 中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心。《中國科學院院刊》供稿）