合成生物學(xué)是一門匯集生物學(xué)、基因組學(xué)、工程學(xué)和信息學(xué)等多種學(xué)科的交叉學(xué)科，其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑是運(yùn)用系統(tǒng)生物學(xué)和工程學(xué)原理，以基因組和生化分子合成為基礎(chǔ)，綜合生物化學(xué)、生物物理和生物信息等技術(shù)，旨在設(shè)計(jì)、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化過(guò)程，以構(gòu)建具有生命活性的生物元件、系統(tǒng)以及人造細(xì)胞或生物體。簡(jiǎn)而言之，合成生物學(xué)是以“建構(gòu)”為核心的新型交叉技術(shù)學(xué)科，將生物學(xué)與其他學(xué)科及范式進(jìn)行深度交叉融合，充分發(fā)揮定量、設(shè)計(jì)、工程化等特征，正在發(fā)展成為一個(gè)基礎(chǔ)性和工具性學(xué)科，被認(rèn)為是認(rèn)識(shí)生命的鑰匙和改變未來(lái)的顛覆性技術(shù)，被譽(yù)為“第三次生物科學(xué)革命”，是推動(dòng)人類從“認(rèn)識(shí)生命”(“造物致知”)到“設(shè)計(jì)生命”(“造物致用”)跨越的重要技術(shù)路徑。
通俗來(lái)講，合成生物學(xué)就像奶牛產(chǎn)奶的過(guò)程：奶牛吃進(jìn)低價(jià)值的草，而產(chǎn)出的卻是高價(jià)值的牛奶。在合成生物學(xué)中，底盤細(xì)胞相當(dāng)于奶牛，各種原料相當(dāng)于低價(jià)值的草料。通過(guò)基因技術(shù)編輯過(guò)的底盤細(xì)胞，添加低廉原料后經(jīng)過(guò)發(fā)酵等一系列工藝產(chǎn)生的高價(jià)值的化學(xué)或生物原料，就相當(dāng)于生產(chǎn)的牛奶。高價(jià)值的牛奶最終幫助企業(yè)換取到金錢，合成生物學(xué)就完成了一整套“點(diǎn)石成金”的閉環(huán)過(guò)程。根據(jù)麥肯錫研究，生物制造的產(chǎn)品可以覆蓋60%化學(xué)制造的產(chǎn)品，未來(lái)生物制造的方式有望對(duì)醫(yī)藥、化工、食品、能源、材料、農(nóng)業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)帶來(lái)巨大影響，在2030-2040年期間，合成生物學(xué)技術(shù)每年將為全球帶來(lái)2萬(wàn)億至4萬(wàn)億美元的直接經(jīng)濟(jì)效益。
合成生物學(xué)的前世今生
1911年，“synthetic biology”一詞最早由法國(guó)物理化學(xué)家Stephane Leduc在其所著的《生命的機(jī)理》(The Mechanism of Life)一書(shū)中首次提出，在該書(shū)中其試圖利用物理學(xué)理論解釋生物起源和進(jìn)化規(guī)律，認(rèn)為“構(gòu)成生物體的是其形態(tài)”，并歸納為“合成生物學(xué)是對(duì)形狀和結(jié)構(gòu)的合成”。
合成生物學(xué)的起源可以追溯到1961年弗朗索瓦·雅各布(Francois Jacob)和雅克·莫諾(Jacques Monod)的一篇里程碑式的出版物。他們對(duì)大腸桿菌中l(wèi)ac操縱子的研究的見(jiàn)解使他們假定存在調(diào)節(jié)性雙基因表達(dá)。
隨著20世紀(jì)70年代和80年代分子克隆和PCR的發(fā)展，基因操作在微生物學(xué)研究中變得廣泛，為設(shè)計(jì)人工基因調(diào)控提供了技術(shù)手段。
到20世紀(jì)90年代中期，自動(dòng)DNA測(cè)序和改進(jìn)的計(jì)算工具使完整的微生物基因組得以測(cè)序，用于測(cè)量RNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和代謝物的高通量技術(shù)使科學(xué)家能夠生成大量的細(xì)胞成分及其相互作用。這種分子生物學(xué)的“放大”產(chǎn)生了系統(tǒng)生物學(xué)領(lǐng)域，因?yàn)樯飳W(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家開(kāi)始將實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)合起來(lái)，對(duì)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反向工程。
合成生物學(xué)真正被廣泛關(guān)注始于21世紀(jì)初，一系列顛覆性成果在這個(gè)階段陸續(xù)發(fā)布。
2000年，波士頓大學(xué)Collins團(tuán)隊(duì)受噬菌體λ開(kāi)關(guān)和藍(lán)藻晝夜節(jié)律振蕩器的啟發(fā),設(shè)計(jì)合成了雙穩(wěn)態(tài)基因網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)；普林斯頓大學(xué)Elowitz和Leibler基于負(fù)反饋調(diào)控原理設(shè)計(jì)了基因振蕩網(wǎng)絡(luò)。
2002年，紐約州立大學(xué)石溪市分校Wimmer團(tuán)隊(duì)通過(guò)化學(xué)合成病毒基因組獲得了具有感染性的脊髓灰質(zhì)炎病毒-人類歷史上首個(gè)人工合成的生命體。
2010年，美國(guó)Venter團(tuán)隊(duì)宣布首個(gè)“人工合成基因組細(xì)胞”誕生。他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、合成和組裝了1.08Mb的支原體基因組(JCVI-syn1.0)，并將其移植到山羊支原體受體細(xì)胞中，產(chǎn)生了僅由合成染色體控制的新支原體細(xì)胞。
2013年，青蒿素的生物合成生產(chǎn)。
2014年，拓展遺傳密碼子入選Science年度十大科學(xué)突破。美國(guó)Scripps研究所Romesberg團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了一個(gè)非天然堿基配對(duì)：X和Y，并將它們整合到大腸桿菌基因組。理論上，遺傳字母表從4個(gè)變成6個(gè)密碼子可以從64個(gè)擴(kuò)充到216個(gè)，這意味著在控制條件下，未來(lái)的生命形式有無(wú)限種可能。
2016年，Nielsen等人發(fā)表了Cello，這是一個(gè)卓越的端到端計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，用于E.coli 中的邏輯構(gòu)造。在過(guò)去十年中，這可能是合成生物學(xué)家最滿意的，因?yàn)樗ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、表征和自動(dòng)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了許多生物學(xué)工程功能。
2017年，基于CRlSPR的快速診斷。
2018年，具有邏輯控制的CAR-T細(xì)胞；具有合成融合染色體的酵母；自組織多細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
2019年，大腸桿菌基因組全合成；大腸桿菌基因組碳固定；大麻素的合成生產(chǎn)。
進(jìn)入21世紀(jì)，合成生物學(xué)的發(fā)展可分為4個(gè)階段：
1、創(chuàng)建時(shí)期(2000-2003年)：產(chǎn)生了許多具備領(lǐng)域特征的研究手段和理論，特別是基因線路工程的建立及其在代謝工程中的成功運(yùn)用；
2、擴(kuò)張和發(fā)展期(2004-2007年)：工程技術(shù)進(jìn)步較緩慢，領(lǐng)域有擴(kuò)大趨勢(shì)；
3、快速創(chuàng)新和應(yīng)用轉(zhuǎn)化期(2008-2013年)：這一階段涌現(xiàn)出的新技術(shù)和工程手段使合成生物學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展；
4、發(fā)展新階段(2014年后)：工程化平臺(tái)的建設(shè)和生物大數(shù)據(jù)的開(kāi)源應(yīng)用相結(jié)合，全面推動(dòng)生物技術(shù)、生物產(chǎn)業(yè)和生物醫(yī)藥“民主化”發(fā)展。
合成生物學(xué)的關(guān)鍵底層技術(shù)
合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)鏈分布情況
合成生物學(xué)具有強(qiáng)科技屬性，從微觀的基因合成到宏觀的放大生產(chǎn)的發(fā)酵工程 存在大量know-how，技術(shù)壁壘高，按照所處的行業(yè)上下游，可被劃分為三個(gè)層面：工具層/原料層、軟件/硬件層以及應(yīng)用層。
1、產(chǎn)業(yè)鏈前端：以基因編輯相關(guān)技術(shù)公司為主，為元件構(gòu)建提供技術(shù)支撐，技術(shù)要求包括基因合成、編輯、組裝、測(cè)序等。
2、產(chǎn)業(yè)鏈中端：以合成生物學(xué)平臺(tái)公司為主，通過(guò)搭建技術(shù)平臺(tái)，形成項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)積累，為下游客戶提供研發(fā)支撐。
3、產(chǎn)業(yè)鏈后端：則以產(chǎn)品型公司為主，主導(dǎo)產(chǎn)品的放大生產(chǎn)與下游市場(chǎng)應(yīng)用，市場(chǎng)可延伸至醫(yī)療、化工、食品、農(nóng)業(yè)等多種領(lǐng)域。
關(guān)鍵底層技術(shù)發(fā)展--DNA合成成本下降
DNA合成成本下降速率快過(guò)摩爾定律，合成片段長(zhǎng)度、精度大幅提升推動(dòng)基因合成下游應(yīng)用。
1、20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的基于亞磷酰胺的DNA合成法為DNA合成儀的創(chuàng)制奠定了基礎(chǔ)，之后三種芯片式原位合成技術(shù)(光刻合成、電化學(xué)脫保護(hù)合成、噴墨打印)和超高通量合成技術(shù)相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，推動(dòng)了合成DNA效率的提升和成本的下降，2021年每Mb堿基合成的平均費(fèi)用已由2001年的超過(guò)5000美元下降至0.006美元，未來(lái)隨著第四代酶促合成技術(shù)的發(fā)展和成熟，DNA合成有望進(jìn)一步降低成本，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)?；a(chǎn)；
2、目前工業(yè)化DNA合成工藝通常從化學(xué)合成寡核苷酸起始，更長(zhǎng)的DNA分子是以寡核苷酸為原料通過(guò)酶促反應(yīng)逐步拼接和組裝得到，寡核苷酸單步合成效率雖然已高達(dá)99.5%，但合成長(zhǎng)度達(dá)到200bp時(shí)產(chǎn)率即降至約35%，由于該產(chǎn)率雜質(zhì)過(guò)多難以純化得到目的片段，而要合成kb級(jí)長(zhǎng)度的寡核苷酸單步合成效率必須達(dá)到99.9%以上才能獲得同樣的產(chǎn)率，隨著微陣列式DNA合成技術(shù)的出現(xiàn)，合成所需的反應(yīng)濃度更低(飛摩爾級(jí))，同時(shí)保證了成本和合成的準(zhǔn)確度，當(dāng)該技術(shù)目前主要缺陷在于合成錯(cuò)誤率較柱式法更高，仍有進(jìn)一步提升的空間。
關(guān)鍵底層技術(shù)發(fā)展--基因編輯與迭代
基因編輯：在生物體的基因組中特定位置插入、刪除、修改或替換DNA?；蚓庉嬕蕾囉诮?jīng)過(guò)基因工程改造的核酸酶，也稱“分子剪刀”，在基因組中特定位置產(chǎn)生位點(diǎn)特異性雙鏈斷裂(DSB)，誘導(dǎo)生物體通過(guò)非同源末端連接(NHEJ)或同源重組(HR)來(lái)修復(fù)DSB，人工主導(dǎo)或干擾這個(gè)修復(fù)過(guò)程就可以把特定DNA序列進(jìn)行刪除或者插入外源基因。
基因編輯技術(shù)的迭代：1996年，第一代代基因編輯技術(shù)，經(jīng)基因工程改造的鋅指核酸酶(ZFNs)被設(shè)計(jì)出來(lái)，開(kāi)啟人工改造生命體的旅程。2009年，第二代基因編輯技術(shù)類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶(TALENs)誕生。但前兩代技術(shù)構(gòu)建周期長(zhǎng)，步驟繁瑣，難以進(jìn)行高通量基因編輯，極大限制了其推廣應(yīng)用。直到2012年，CRISPR技術(shù)橫空出世，與ZFNs和TALENs技術(shù)相比，CRISPR/Cas9的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多，而且成本很低，對(duì)于相同的靶點(diǎn)，CRISPR/Cas9有相當(dāng)甚至更好的靶向效率。
CRISPR/Cas9：實(shí)現(xiàn)基因編輯能力的重大飛躍。作為第三代基因編輯技術(shù)，相比前兩代，其優(yōu)勢(shì)明顯：1）構(gòu)建簡(jiǎn)單方便快捷，適用于任何分子生物實(shí)驗(yàn)室；2）用于基因組的點(diǎn)突變編輯優(yōu)于ZFN或TALEN；3）CRISPR/Cas9精確的切口酶活性用于基因治療安全性高于ZFN或TZLEN。根據(jù)頭豹研究數(shù)據(jù)，2016-2018年，中國(guó)CRISPR/Cas9行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模(按銷售額統(tǒng)計(jì))從9.7億元人民幣增長(zhǎng)至24.8億元人民幣，年復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)59.6%。
關(guān)鍵底層技術(shù)發(fā)展--DNA組裝與測(cè)序
DNA組裝：技術(shù)相對(duì)成熟、低成本、自動(dòng)化、一體化是未來(lái)發(fā)展方向。受到技術(shù)的限制，DNA片段從頭合成的長(zhǎng)度有限，更長(zhǎng)基因或基因組有賴于通過(guò)核苷酸片段的酶促組裝或體內(nèi)組裝獲得，通常使用的寡核苷酸組裝方法有兩種：連接酶組裝法(LCR)和聚合酶組裝法(PCA)。使用短初始片段組裝染色體或基因組長(zhǎng)度DNA所需的分層組裝次數(shù)較多，過(guò)程中所需的克隆挑選和測(cè)序等質(zhì)控成本也會(huì)相應(yīng)增多，具有低成本、自動(dòng)化和一體化特性的微流控組裝體系將成為寡核苷酸體外合成和組裝整合平臺(tái)開(kāi)發(fā)的方向。
DNA測(cè)序：測(cè)序技術(shù)不斷迭代，測(cè)序成本、長(zhǎng)度、速度均得到指數(shù)級(jí)提升。DNA序列決定了DNA分子中核苷酸排列順序。大規(guī)?；蚪M測(cè)序工作可以提供有關(guān)自然界生物的信息，幫助合成生物學(xué)家從中構(gòu)建生物元件和裝置，同時(shí)測(cè)序可以驗(yàn)證制造的系統(tǒng)是否符合預(yù)期以及快速、廉價(jià)和可靠的測(cè)序可以促進(jìn)所合成的生命系統(tǒng)的快速檢測(cè)和鑒定。DNA測(cè)序技術(shù)在過(guò)去幾十年間得到了快速的發(fā)展，從最初的Sanger測(cè)序發(fā)展到四代納米孔測(cè)序，基因測(cè)序成本也由2001年每基因組的接近1億美元下降至2021年的0.006美元。隨著技術(shù)的迭代，測(cè)序長(zhǎng)度、速度等都有了質(zhì)的飛躍。
資料來(lái)源：上海市華興健康產(chǎn)業(yè)合作促進(jìn)中心、BiG生物創(chuàng)新社、生物制品圈等
