|
萌芽期（2005年以前）：基因線路在代謝工程領(lǐng)域的應(yīng)用是這一時(shí)期的代表。典型成果：青蒿素前體在大腸桿菌中的合成。
起步期（2005-2011年）：基礎(chǔ)研究快速發(fā)展，工程化理念日漸深入，使技術(shù)平臺(tái)得到重視，方法以及工具的不斷開發(fā)，“工程生物學(xué)”早期發(fā)展。
成長(zhǎng)期（2011-2015年）：基因組編輯效率大幅提升，技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用不斷拓展，技術(shù)的應(yīng)用從生物基化學(xué)品、生物能源拓展至疾病診斷、藥物和疫苗開發(fā)、作物育種、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物新材料等諸多領(lǐng)域。
創(chuàng)新階段（2015年以后）：合成生物學(xué)“設(shè)計(jì)—構(gòu)建—測(cè)試”（Design-Build-Test，DBT）循環(huán)拓展至“設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)” （Design-Build-Test-Learn，DBTL）。生物技術(shù)與信息技術(shù)融合發(fā)展特點(diǎn)更加明顯，半導(dǎo)體合成生物學(xué)、工程生物學(xué)等理念相繼提出。
分子生物學(xué)與基因組工程是合成生物學(xué)的根基，因?yàn)楸仨毻高^(guò)剪接DNA，才能寫出所需要的作業(yè)系統(tǒng);資訊科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)，專精于生物資料的收集、分析與模擬;電機(jī)電子工程則是負(fù)責(zé)控制邏輯回路的設(shè)計(jì)。合成生物學(xué)具體研究?jī)?nèi)容主要包括幾個(gè)方面：
1)底盤生物(chassis)及其基因組的合成、簡(jiǎn)化與重構(gòu)，以作為各類生物元件、組件及系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)，如T7噬菌體基因組的重構(gòu)(Chan et al., 2005)、克雷格文特爾人造細(xì)胞Synthia(JCVI1.0)的構(gòu)建等。
2)生物大分子(如核酸和蛋白質(zhì))的合成、改造與模塊化，如DNA合成技術(shù)的發(fā)展(Kosuri et al., 2010；Matzas et al., 2010)；人工創(chuàng)造遺傳物質(zhì)，如類DNA化合物(XNA)的合成(Pinheiro et al., 2012)；非天然氨基酸的合成(Noren et al., 1990；Wang and Schultz 2002；Chin et al., 2003；Mehl et al., 2003；Wang et al., 2003)及相應(yīng)新密碼子、tRNA的構(gòu)建(Hohsaka et al., 2001；Hohsaka et al., 2001)，基于蛋白質(zhì)工程的酶功能的優(yōu)化、改造等。
3)合成及優(yōu)化代謝網(wǎng)絡(luò)，如青蒿酸(Martin et al., 2003；Ro et al., 2006；Hale et al., 2007；Tsuruta et al., 2009)、紫杉醇(Ajikumar et al., 2010)及高級(jí)醇(Atsumi et al., 2008)的生物合成基因簇的優(yōu)化及異源表達(dá)。
4)各類生物功能元件的標(biāo)準(zhǔn)化，以及基于標(biāo)準(zhǔn)化生物元件的基因線路的設(shè)計(jì)與多領(lǐng)域應(yīng)用。
合成生物學(xué)的目標(biāo)是透過(guò)創(chuàng)造或修改基因組的過(guò)程，了解生命運(yùn)作的法則，并導(dǎo)入抽象化、標(biāo)準(zhǔn)化等工程概念，以進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計(jì)與開發(fā)相關(guān)應(yīng)用。合成生物學(xué)改變了許多不同應(yīng)用中采用的方法和技術(shù)，包括但不限于：
合成生物學(xué)有助于發(fā)現(xiàn)、分離獲得新的天然藥物，設(shè)計(jì)新的生物合成途徑，產(chǎn)生更多天然藥物及類似物；將合成生物學(xué)原理廣泛應(yīng)用于腫瘤治療的免疫細(xì)胞的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生多樣化的治療策略，最大可能做到高效、低毒、可控、通用等目標(biāo)；開發(fā)快速、靈敏的診斷試劑和體外診斷系統(tǒng)，滿足早期篩查、臨床診斷、療效評(píng)價(jià)、治療預(yù)后、出生缺陷診斷的需求；促進(jìn)疫苗升級(jí)換代，重點(diǎn)推動(dòng)新型疫苗（包括治療性疫苗）的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
開發(fā)人工合成細(xì)菌，可將糖類直接轉(zhuǎn)化成與常規(guī)燃油兼容的生物燃油，甚至可以直接從太陽(yáng)獲取能量，制造清潔燃料。
基于合成生物學(xué)理論和技術(shù)設(shè)計(jì)，合成的高活性和高穩(wěn)定性新材料，具有重量輕、強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)精細(xì)、性能特異、生產(chǎn)能耗少、成本低、速度快、環(huán)境危害小等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。
自然界中存在很多具有特殊生物活性的物質(zhì)資源，但同時(shí)伴隨著自然資源的稀少、成分含量稀缺的情況。利用合成生物學(xué)能夠借助于微生物完美再現(xiàn)自然狀態(tài)下獲取的天然活性物質(zhì)，在保障其天然功效的同時(shí)滿足社會(huì)商業(yè)化應(yīng)用的需求，真正實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)足的可持續(xù)發(fā)展。
運(yùn)用合成生物學(xué)對(duì)人造生物體設(shè)計(jì)、構(gòu)建的生物計(jì)算機(jī)和基于生物合成材料的新型量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力有望比現(xiàn)有計(jì)算機(jī)高出數(shù)億倍，在此基礎(chǔ)上研發(fā)智能計(jì)算機(jī)，可具備人腦的分析、判斷、聯(lián)想、記憶等功能，給經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人類生活帶來(lái)難以估量的顛覆性影響。
合成生物學(xué)是一門迅速成長(zhǎng)的新興交叉學(xué)科，自2000年左右開始，相關(guān)的研究論文數(shù)量逐年上升。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步(如DNA合成及DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展)，合成生物學(xué)的許多基礎(chǔ)研究工作(如底盤生物的基因組簡(jiǎn)化與重構(gòu))、標(biāo)準(zhǔn)化生物元件庫(kù)的擴(kuò)充、基因線路設(shè)計(jì)的創(chuàng)新等，都會(huì)在近幾年得到飛速發(fā)展。
在應(yīng)用方面，隨著青蒿酸、紫杉醇的生物合成，微藻產(chǎn)油及高級(jí)醇合成基因簇的改造，砷離子生物傳感器的應(yīng)用，合成生物學(xué)已經(jīng)在生物醫(yī)藥、生物能源、環(huán)境治理等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的潛力，并且在生物計(jì)算、微生物成像等許多方面展現(xiàn)了極具創(chuàng)意的應(yīng)用，對(duì)其他學(xué)科的發(fā)展有著不可忽視的影響。21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)，而合成生物學(xué)將是未來(lái)生物學(xué)發(fā)展的重要分支，必將對(duì)人類生活產(chǎn)生重大影響。
【1】Martin V J J, Pitera D J, Withers ST, et al. Engineering a mevalonate pathway in Escherichia coli for productionof terpenoids[J]. Nature biotechnology, 2003, 21(7): 796-802.【2】Meng, F., Ellis, T. The second decade of synthetic biology: 2010–2020. Nat Commun 11, 5174 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-19092-2
【3】Jacobsen JH, Frigaard NU. Engineering of photosynthetic mannitol biosynthesis from CO2 in a cyanobacterium. Metab Eng. 2014 Jan;21:60-70. doi: 10.1016/j.ymben.2013.11.004. Epub 2013 Nov 19. PMID: 24269997.
| 
