《2023中国合成生物学发展研究报告》 | 亿欧智库

合成生物学掀起第三次生物技术革命。

合成生物学利用技术重构生物体系，是“人类造物”的最新尝试

由于合成生物学是一门新兴学科，所以，现阶段合成生物学的定义仍然处于开放、探索的阶段。我们可以通过以下描述做整体了解：合成生物学借鉴了工程学概念，运用基因技术，通过构建生物功能元件、装置和系统，来有目标的重新设计和合成新的生物体系或改造已有的生物 体系，使其拥有满足人类需求的生物功能。

合成生物学这一名词最早被提出可追溯到1910年，是指利用物理和化学方法合成类生物体系来模拟生命过程, 了解生命机制，但当时的概念跟目前人们理解的合成生物学有较大差距。2000年, 在美国化学学会年会上, 斯坦福大学Eric Kool在基因组学和系统生物学基础上，引入工程学概念，重新定义了“合成生物学”。标志着这一学科的出现。

合成生物学是一门交叉学科，基因工程是其发展基础

合成生物学是在分子生物学、系统生物学等众多学科发展到一定阶段的基础上诞生的，在现代生物学和系统科学以及合成科学基础上发展起来、融入工程学思想和策略，融合了生物学、 化学、物理学、数学、信息科学、工程科学、计算机科学等相关学科的新兴交叉学科。其概念经常与基因工程和发酵工程混淆：人类利用微生物发酵生产食品已有几千年的历史，但是早前的人们尚未完全认识发酵过程，此时期的发酵生产活动全凭经验，多为非纯种培养，发酵产品极易被杂菌污染，这属于自然发酵时期。

合成生物学是直接建立在基因工程之上的，基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，在原有遗传特性基础上增加新的特性，获得新的品种，生产新的产品。

合成生物学具有效率提升、成本降低、节能减排和原料再生等多重优势和价值

以合成生物学为指导，设计有机化学品的高效合成路线和人工生物体系，逐渐从天然生物的轻度修饰向全人工合成的生物或生命过度，不仅可能高效利用原来不能利用的生物质资源，也有可能高效合成原来不能生物合成、或者原来生物合成效率很低的产品。这将为突破自然生物体合成功能与范围的局限，打通传统化学品的生物合成通道，为发展先进生物制造技术、促进可持续经济体系形成与发展，提供重大机遇。

合成生物学发展基于“基因”相关生物技术的发展融合而成

很多人狭义地认为合成生物学就是“全合成生命”，即利用化学合成的方法从头合成一个具有生命活力的细胞或病毒。而实际上，合成生物学中更多地是在使用已有的或改造过的基因模块通过工程学手段拼装、搭建一个自然界中本没有的生命体系。所以合成生物学的核心集中在基因层面。

基因相关的技术进步是推动合成生物学的基础。20世纪50年代，随着DNA双螺旋结构的发现、遗传密码的破译、限制性内切酶的发现、PCR技术的发明等一系列重大分子生物学成就, 催生了基因工程技术。德国学者Hobom称“基因手术正在开启合成生物学的大门”。合成生物学对于 DNA等遗传物质的合成、组装和编辑等操作有着巨大的需求，因此基因组编辑技术在合成生物学中有着广泛的应用，并加速了合成生物学的发展。DNA合成技术则是人类探索生命奥秘过程中的必要工具，大规模基因组DNA设计和合成赋予我们改造细胞功能甚至创造人工生命的能力。

合成生物学技术已发展到第四个阶段，技术与应用全面提升

合成生物学的技术发展经历了四个阶段。

第一阶段（2005年以前）：以基因线路在代谢工程领域的应用为代表，这一时期的典型成果是青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。

第二阶段（2005-2011年）：基础研究快速发展，年度的专利申请量较之前并未有显著增加，合成生物学研究开发总体上处于工程化理念日渐深入、使能技术平台得到重视、工程方法和工具不断积淀的阶段，体现出“工程生物学”的早期发展特点。

第三阶段（2011-2015年）：基因组编辑的效率大幅提升，合成生物学技术开发和应用不断拓展，其应用领域从生物基化学品、生物能源扩展至疾病诊断、 药物和疫苗开发、作物育种、环境监测等诸多领域。

第四阶段（2015年以后）：合成生物学的“设计—构建—测试” 循环扩展至“设计—构建—测试—学习” ，“半导体合成生物学” 、“工程生物学” 等理念或学科的提出，生物技术与信息技术融合发展的特点愈加明显。

工程化是合成生物学区别于其他生物学科的最大特征

合成生物学区别于其他生物学的主要特点是“工程化”，被认为是生物学中的“工科”。 合成生物学的工程化研究主要有两种策略:自上至下(逆向工程)和自下至上(前/正向工程)。

自上至下策略主要用于分析阶段，试图利用抽提和解耦方法降低自然生物系统的复杂性，将其层层凝练成工程化的标准模块。而自下至上的策略通 常是指通过工程化方法，利用标准化模块，由简单到复杂构建具有期望功能的生物系统的方法。两种方法可以在某种程度上互相交叉，都有共同目标：工程化特定的生物功能，使其具有可预测性及可靠性。

以下是报告节选正文内容：

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