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合成生物學旨在交叉學科的融合運用,被認為是一個基于生物學的“工具包”,用抽象化、標準化和自動化結構來改變構建生物系統(tǒng)和擴大可能產品的范圍,是未來生物醫(yī)藥產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要增長手段。

01概念界定與發(fā)展歷程

合成生物學(Synthetic Biology)是一門匯集生物學、基因組學、工程學和信息學等多種學科的交叉學科,是設計和建造新的生物實體——如酶、遺傳回路和細胞,或重新設計現(xiàn)有的生物系統(tǒng)。合成生物學建立在分子、細胞和系統(tǒng)生物學進步的基礎上,并尋求與合成化學轉化和集成電路設計計算相同的方式改變生物學。其實現(xiàn)的技術路徑是運用系統(tǒng)生物學和工程學原理,以基因組和生化分子合成為基礎,綜合生物化學、生物物理和生物信息等技術,旨在設計、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化過程,構建具有生命活性的生物元件、系統(tǒng)以及人造細胞或生物體。
合成生物學經(jīng)過20年的發(fā)展,迎來了許多生物技術革新及具有里程碑意義的成就,其發(fā)展歷程大致分為四個階段。

第一階段(2005年以前):基因線路在代謝工程領域的應用,典型成果是青蒿素前體在大腸桿菌中的合成。

第二階段(2005-2011年):“工程生物學”發(fā)展,工程化理念日漸深入,使能技術平臺得到重視,工程方法和工具不斷積淀。

第三階段(2011-2015年):基因組編輯的效率大幅提升,應用領域從生物基化學品、生物能源擴展至疾病診斷、藥物和疫苗開發(fā)、作物育種、環(huán)境監(jiān)測、生物新材料等諸多領域。

第四階段(2015年至今):合成生物學的“設計-構建-測試-學習”(Design-Build-Test-Learn,DBTL)等理念或學科相繼提出,生物技術與信息技術融合發(fā)展的特點愈加明顯。

圖1 :合成生物學發(fā)展歷程和重要里程碑來源:火石創(chuàng)造根據(jù)公開資料整理

02技術成果與研究進展

全球合成生物學的研究步伐快,我國已基本具備與強國抗衡的實力。國外發(fā)達國家以美國、英國為主導,在合成生物學研究領域發(fā)展進程較快,已經(jīng)形成“政產學研用”的完備體系,歐美各國圍繞基礎研究、戰(zhàn)略規(guī)劃、財政支持、機構建設,以及倫理規(guī)范,在合成生物學領域都已建立健全。在大環(huán)境影響下,我國的合成生物學研究也取得了長足發(fā)展。與此同時,構建合成生物學倫理監(jiān)管體系以及長期、短期技術發(fā)展路線整體規(guī)劃已逐漸被提上議程。

合成生物學研究近年來取得了一系列重大成果。包括低成本DNA合成、下一代測序、多路復用、基因組工程技術,以及大量基因組序列的提供,在支持生物研究方面發(fā)揮著越來越突出的作用。2016年,科學家克萊格·文特爾等人宣布合成出“迷你”細胞,這是合成生物學領域的一大突破,創(chuàng)造了當時已知擁有最小基因組的人造生物JCVI-syn3．0。2021年,德國團隊發(fā)現(xiàn)Hippea Maritima細菌的逆向三羧酸循環(huán)(TCA),這個過程使得細菌能夠在充斥著CO2氣體的環(huán)境中茁壯成長,為物種起源提供了新的線索。合成生物學工具在利用生物技術應對社會挑戰(zhàn)方面的潛力不僅體現(xiàn)在基礎科學研究中,在實際應用中也發(fā)揮著重要作用,如生產生物燃料、生物醫(yī)藥的合成/多功能材料,以及大規(guī)模生產化學品和食品成分等。此外,面對新冠疫情大流行對全球健康和安全的影響,合成生物學技術也顯示出巨大的應用潛力,為病毒學研究和疫苗開發(fā)提供了前所未有的工具。

在全球合成生物學快速發(fā)展的背景下,我國相關研究也取得了大量突破。中國科學家曾經(jīng)首次實現(xiàn)人工合成蛋白質(牛胰島素)和核糖核酸(酵母丙氨酸t(yī)RNA), 近年來又在染色體合成與染色體工程、基因組編輯、生物底盤構建、定量工程生物學、生物元件工程和基因回路工程、天然活性物質和有機化工產品的人工合成代謝、計算機生物模擬等方面取得系列原始發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新成果。

合成生物學領域近年來技術創(chuàng)新研究主要聚焦在以下幾個方面:基因與基因組的合成研究,讓生物系統(tǒng)經(jīng)重新組裝后發(fā)揮新的功能,包括將生物系統(tǒng)精簡成模塊及其他部件,擴增、檢測或克隆相關序列等;基因表達、基因治療研究,包括基因修飾賦予新功能、抑制靶基因表達的技術等,主要對基因組進行操控和克隆;基因調控網(wǎng)絡構建,包括研究基因線路的各種邏輯關系與調控方法,以實現(xiàn)特定的功能、設計新的遺傳線路,并利用基因重組等手段完成對現(xiàn)有系統(tǒng)的改造;基因回路的相關研究,包括簡單基因電路構建、基因波動開關和振蕩器的設計等;使能技術的發(fā)展,包括利用CRISPR/Cas系統(tǒng)進行多路基因組工程等;相關開發(fā)平臺和數(shù)據(jù)庫的研發(fā),包括蛋白質數(shù)據(jù)庫的算法、基因數(shù)據(jù)庫的構建、基因組功能鑒定方法的研究等。

圖2:合成生物學研究進展來源:火石創(chuàng)造根據(jù)相關文獻整理

03研究成果與代表機構

從合成生物學領域的發(fā)明專利和研究論文情況來看, 2011年-2021年9月底我國合成生物學領域共有267篇有效專利和1220篇研究論文發(fā)表。通過統(tǒng)計我國有效專利數(shù)量,我國在合成生物學領域的技術發(fā)展呈增長態(tài)勢。研究論文方面,在2017年達峰值,近幾年呈下降趨勢。

圖3:2011-2021年Q3我國合成生物學專利發(fā)明與論文發(fā)表趨勢(篇)來源:火石創(chuàng)造數(shù)據(jù)庫

我國合成生物學研究機構中,以天津大學、中國醫(yī)學科學院、中國科學院等機構為專利和論文產出的主力軍,其余各地著名高校在專利和論文產出方面也發(fā)揮著重要作用。

表1:我國合成生物學主要研究機構

來源:火石創(chuàng)造數(shù)據(jù)庫,截至2021年9月底

合成生物學領域近5年來成為投資熱點,資本和市場的目光正在向合成生物的技術應用層面聚焦。2017-2018年歷年融資數(shù)量和金額達到峰值,多家創(chuàng)新企業(yè)應運而生。國內合成生物學代表性企業(yè)如表2所示,主要集中在長三角地區(qū)、北京和深圳等地。

表2:國內合成生物學代表性企業(yè)

來源:根據(jù)公開資料整理,排名不分先后

04發(fā)展區(qū)域

在過去10年中,許多高校和科研機構在合成生物學領域都有實際舉措,最為集中的是上海、深圳和天津。其中,深圳市近年來力推合成生物產業(yè),在重大科技基礎設施、研究機構、產業(yè)中心、教育、資本等環(huán)節(jié)進一步完善深圳合成生物學創(chuàng)新鏈產業(yè)鏈。

為深入貫徹深圳市委、市政府關于合成生物學的前瞻布局和工作部署,光明區(qū)于2021年10月發(fā)布了全國首個合成生物領域專項扶持政策《光明區(qū)關于支持合成生物創(chuàng)新鏈產業(yè)鏈融合發(fā)展的若干措施》,認定一批合成生物科技成果轉移轉化基地和科技創(chuàng)新產業(yè)園,大力支持合成生物戰(zhàn)略科技力量建設、創(chuàng)新鏈建設、產業(yè)鏈建設、生態(tài)鏈建設,加快推動光明區(qū)合成生物創(chuàng)新鏈產業(yè)鏈融合發(fā)展,搶占全球生物技術與產業(yè)發(fā)展制高點。

表3:國內合成生物學代表性科研機構

來源:根據(jù)公開資料整理,排名不分先后

05未來展望

合成生物學將成為精準醫(yī)學時代的主要支柱。未來,包括先進的基因組編輯、復雜基因網(wǎng)絡的組裝和計算機輔助設計在內的前沿技術的結合將把合成生物學推向下一個階段。在細菌、酵母和哺乳動物細胞中設計具有高度復雜的相互連接的、與環(huán)境或細胞代謝相結合的合成基因回路和途徑,將會提供前所未有的傳感器處理和生產能力,為生物制藥和細胞療法帶來新的機遇。

由于新冠疫情的流行,生物威脅和生物安全相關的概念正受到前所未有的關注和討論,這也是我國合成生物學的重點研究的方向之一。 

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—END—    作者 | 火石創(chuàng)造 陳鈺妍、胡欽偉 審核 | 火石創(chuàng)造 廖義桃、殷莉編輯 | 火石創(chuàng)造 張艷玲運營 | 火石創(chuàng)造 黃淑萍如需轉載,請留言申請