合成生物学（Synthetic Biology）被视为继“DNA双螺旋结构的发现”和“人类基因组计划”后第三次生物技术革命，融合了生命科学、工程学、基因组学、信息学、数学、化学、计算机科学等诸多学科，在医药、能源、材料、化工、农业等领域具有极其广阔的应用前景，已成为世界各国科技竞争主战场之一。总体而言，合成生物学可概括为通过构建具有期望功能的生物系统，生产各种人类需要的物品。本期我们走近合成生物学，一探它的“前世今生”。

图1 三次生物技术革命

追本求源：合成生物学的历程变迁

合成生物学自概念提出到现在发展历史已超百年。最早可溯源至19世纪中叶合成化学的出现打破无机物和有机物的界限，推翻“生命力论”,颠覆了人类对生命体（动物、植物、微生物等）的认知。此后，“细胞学说”“生物化学”“遗传学说”等相继提出，人类从细胞层面、分子层面实现对生命体认识的飞跃，合成生物学亦随之演化。总体看，合成生物学发展历程大致可分为三大阶段：

图2 合成生物学发展历程

纵观学科起源和发展历程，合成生物学的崛起以其鲜明的“工程学本质”特征，颠覆了以发现描述和定性分析为主的传统生物学研究范式，除对原有生命科学与代谢工程的“延长线”式发展外，更是将原有生物技术上升到了工程化、系统化和标准化的高度，开启了可定量、可计算、可预测及工程化的新时代[1]。

洞若观火：合成生物相关概念辨析

从技术演变看，生物技术、合成生物技术与基因编辑技术存在包含与被包含的关系。

图3 合成生物技术与生物技术、基因编辑技术关系图

从产业范畴看，合成生物学是生物制造最重要的底层技术之一，生物制造是合成生物技术的主要应用场景。合成生物制造隶属于生物制造，与生物医药产业存在交叉重叠的关系。

图4 合成生物制造与生物制造、生物医药关系图

本期结语

合成生物学作为新兴学科提出时日不长、涉及领域广，其定义仍见仁见智、尚未形成共识。在此，我们引用科技部“合成生物学”重点专项项目申报指南中的定义进行总结：“合成生物学是以工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成”。

结合合成生物制造流程来看，其本质就是“细胞工厂”，通过基因技术编辑底盘细胞，将生物碳基原料置于底盘细胞中进行发酵，之后采用多种技术将发酵产品从发酵液或者细胞中分离、纯化出来，在达到特定标准后制成产品。更通俗地理解，底盘细胞相当于奶牛，各种原料相当于低价值的草料，通过改造优化过的底盘细胞，添加低廉原料后经过发酵等一系列工艺产生的高价值的化学或生物产品。

图5 合成生物制造流程

总体看，合成生物学突破了生物体的自然局限，使其拥有满足人类需求的生物功能，可利用高效能量和高效物质合成的能力，解决人类面临的食品缺乏、能源紧缺、环境污染、医疗健康等多方面的问题。目前，政产学研各方均在共同努力，持续发力加速合成生物学底层和共性技术突破，力促其转化应用和产业化发展，我们期待合成生物学未来在科技、产业、社会、生态等领域创造更高的价值。下一期，我们将对国内外合成生物学战略部署和产业谋划等情况进行追踪。

参考资料

[1] 《中国合成生物学2035发展战略》，北京，科学出版社

[2] 本文图片来源于公开资料，整理。

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