張先恩：合成生(born)物學發展脈絡概述，《中國(country)生(born)物工程雜志》

生(born)命科學150多年來(Come)經曆了(Got it)環環相扣的(of)三輪革命，研究範式發生(born)着深刻變化，從生(born)物表觀性狀及遺傳的(of)觀察描述到(arrive)生(born)命過程的(of)分子生(born)物學表征與關聯，再到(arrive)以(by)組學爲(for)特征的(of)系統生(born)物學運用(use)，爲(for)合成生(born)物學的(of)興起提供了(Got it)堅實的(of)學科基礎。合成生(born)物學發展20餘年，取得了(Got it)系列突破性進展，創新應用(use)逐步實現，學科體系構建漸成。

1  合成生(born)物學内涵與外延

合成生(born)物學(synthetic biology)以(by)生(born)物科學爲(for)基礎，會聚化學、物理、信息等學科，融合工程學原理，設計改造天然的(of)或合成新的(of)生(born)物體，揭示生(born)命運行規律(造物緻知)、變革生(born)物體系工程化應用(use)(造物緻用(use))，又稱工程生(born)物學(engineering biology)。合成生(born)物學的(of)内涵和(and)外延不(No)斷拓展，涵蓋基礎理論、使能技術及創新應用(use)等研究方向，推動交叉學科研究創新發展。

合成生(born)物學基于(At)生(born)命科學發展而來(Come)，與傳統生(born)物學既密切關聯，又有所區别。傳統生(born)物學主要(want)以(by)自然界生(born)物體爲(for)研究對象，利用(use)觀察、實驗、分析和(and)推理等科學方法，運用(use)先進的(of)儀器和(and)設備，采用(use)多種技術和(and)手段，獲取和(and)處理大(big)量的(of)生(born)物數據，建立和(and)驗證生(born)物模型和(and)理論，探索生(born)命的(of)本質和(and)規律。技術的(of)發展使得人(people)們(them)對生(born)命體進行系統性工程化改造成爲(for)可能。有别于(At)傳統對生(born)命體多樣化、複雜化和(and)自适應等認識，合成生(born)物學嘗試借鑒工程學标準化、模塊化和(and)可設計等原則，自下而上(superior)地(land)對生(born)命體進行優化設計改造。随着生(born)物建模與模拟、大(big)規模基因組合成與組裝、新一(one)代基因編輯工具等技術的(of)發展，尤其是(yes)近年來(Come)人(people)工智能(artificial intelligence，AI)對于(At)生(born)物設計創新應用(use)的(of)不(No)斷湧現，合成生(born)物使能技術獲得了(Got it)飛速發展，其創新應用(use)在(exist)醫藥健康、生(born)物工業、生(born)物農業、生(born)物能源、環境修複、生(born)物材料，以(by)及生(born)物電子與生(born)物信息等領域逐漸顯示出(out)巨大(big)的(of)賦能作(do)用(use)(表1)。

表1  合成生(born)物學與生(born)物技術的(of)關聯與區别

2  合成生(born)物學發展脈絡

100年多前法國(country)學者提出(out)人(people)工模拟合成細胞的(of)理念，并首次使用(use)了(Got it)“合成生(born)物學”一(one)詞。20世紀中葉，美國(country)和(and)中國(country)學者相繼實現DNA、RNA和(and)蛋白質等生(born)物大(big)分子的(of)人(people)工體外合成。1965年，中國(country)科學家實現牛胰島素的(of)全合成。1966年，美國(country)學者合成了(Got it)多聚核苷酸。1981年，中國(country)學者全合成酵母丙氨酸tRNA，這(this)也是(yes)首次人(people)工合成的(of)具有生(born)物學功能的(of)核糖核酸，爲(for)後來(Come)人(people)工合成基因組積累了(Got it)重要(want)經驗。20世紀七八十年代，分子克隆和(and)PCR的(of)進步，使得基因操作(do)在(exist)微生(born)物學研究中得到(arrive)廣泛的(of)應用(use)，爲(for)人(people)工基因調控與設計提供了(Got it)基礎的(of)技術手段，但這(this)個(indivual)時(hour)期的(of)基因工程往往局限于(At)克隆和(and)重組基因表達，在(exist)微生(born)物中發揮作(do)用(use)的(of)廣度和(and)深度仍然有限。20世紀90年代中期，自動化DNA測序技術的(of)進步和(and)計算工具的(of)改良，使得研究人(people)員能夠測序完整的(of)微生(born)物基因組。同時(hour)，高通量技術的(of)發展，使得研究人(people)員獲得了(Got it)大(big)量關于(At)細胞成分及其相互作(do)用(use)的(of)數據。這(this)些技術的(of)進步爲(for)理解生(born)命的(of)複雜性提供了(Got it)新的(of)視角。随着生(born)物實驗研究與計算分析相結合，分子生(born)物學的(of)“大(big)規模化”研究促進了(Got it)系統生(born)物學領域的(of)發展。在(exist)此基礎上(superior)，作(do)爲(for)“自上(superior)而下”系統生(born)物學方法的(of)補充，研究人(people)員提出(out)了(Got it)一(one)種“自下而上(superior)”的(of)工程學方法。到(arrive)20世紀90年代末，這(this)種“自下而上(superior)”的(of)工程學方法開始在(exist)分子生(born)物學領域得到(arrive)應用(use)，爲(for)具有天然工程特性的(of)合成生(born)物學奠定了(Got it)基礎。

紀初，合成生(born)物學進入新的(of)研究發展階段，真正被廣泛關注。在(exist)Web of Science以(by)“synthetic-biology”爲(for)關鍵詞檢索，合成生(born)物學領域已有近2萬篇論文，期刊學術出(out)版物逐年增加，系列重要(want)成果頻頻湧現。合成生(born)物學發展脈絡大(big)緻可以(by)概括爲(for)三個(indivual)方向：一(one)是(yes)使能技術的(of)系列突破，如基因線路設計、基因組合成與組裝、基因組編輯、底盤細胞構建、無細胞轉化體系、蛋白質從頭設計、非天然體系及生(born)物正交、人(people)工智能的(of)應用(use)等；二是(yes)生(born)物體基因組合成與組裝能力的(of)叠代提升，目前已經實現原核生(born)物基因組和(and)酵母染色體合成，正在(exist)挑戰多細胞生(born)物染色體合成；三是(yes)細胞工廠和(and)新生(born)物系統的(of)構建與應用(use)，一(one)方面涉及“造物緻知”，即自下而上(superior)構建生(born)物體系以(by)理解生(born)物學基本原理；另一(one)方面可概括爲(for)“造物緻用(use)”，覆蓋生(born)物醫藥、生(born)物農業、生(born)物化工、生(born)物能源、生(born)物環保、生(born)物材料，以(by)及生(born)物電子與生(born)物信息等(圖1)。

圖1  合成生(born)物學發展脈絡

使能技術(enabling technology)是(yes)指可以(by)獲得廣泛應用(use)，提升現有技術水平并獲得高效益的(of)技術。合成生(born)物使能技術的(of)系列突破性進展，爲(for)合成生(born)物學迅猛發展提供底層技術保證。

雙穩态基因網絡開關、基因振蕩網絡，證明了(Got it)複雜代謝調控的(of)邏輯性、人(people)工再設計的(of)可實現性。研究人(people)員成功利用(use)生(born)物元件在(exist)微生(born)物細胞底盤内構建邏輯線路，引入工程學理念，開啓了(Got it)合成生(born)物學新的(of)進程。2000年，波士頓大(big)學Collins團隊受噬菌體λ開關和(and)藍藻晝夜節律振蕩器的(of)啓發，設計合成了(Got it)雙穩态基因網絡開關，含有這(this)種開關的(of)細胞可以(by)在(exist)兩種穩定的(of)表達狀态之間切換，以(by)響應外部信号；普林斯頓大(big)學Elowitz和(and)Leibler基于(At)負反饋調控原理設計了(Got it)基因振蕩網絡，這(this)種被稱爲(for)阻遏因子的(of)回路的(of)激活導緻了(Got it)阻遏因子蛋白表達的(of)有序、周期性振蕩。這(this)些人(people)工生(born)物器件和(and)回路在(exist)大(big)腸杆菌細胞中的(of)實現，爲(for)基因組編輯及人(people)工基因網絡調控提供了(Got it)設計思想，成爲(for)合成生(born)物學的(of)經典之作(do)。随後一(one)系列生(born)物元件的(of)應用(use)，人(people)們(them)實現了(Got it)更爲(for)複雜的(of)人(people)造基因線路設計。中國(country)科學院深圳先進技術研究院婁春波團隊與北京大(big)學歐陽颀團隊長期緻力于(At)探索基因回路的(of)設計原理，其團隊秉承絕緣化、正交化的(of)設計思路，創制高質量的(of)基因元件，并在(exist)原核生(born)物以(by)及真核細胞底盤上(superior)實現了(Got it)魯棒且可預測的(of)基因回路設計。随着人(people)類對大(big)規模且可預測的(of)基因回路設計能力不(No)斷提升，科學家不(No)僅能夠精确控制單一(one)種類細胞的(of)行爲(for)，還可以(by)對細胞群體進行編程，實現人(people)工合成的(of)微生(born)物群落。

遺傳密碼子的(of)拓展、含非天然氨基酸蛋白質的(of)合成、鏡像轉錄的(of)實現，開創了(Got it)生(born)命體的(of)新形式及應用(use)前景。2014年，斯克利普斯研究所Romesberg團隊設計合成一(one)個(indivual)非天然堿基配對，實現遺傳密碼子的(of)拓展，這(this)意味着在(exist)控制條件下，未來(Come)的(of)生(born)命形式有無限種可能。三年後，Romesberg團隊又成功地(land)使含非天然堿基dNaM-dTPT3配對的(of)DNA在(exist)大(big)腸杆菌中實現轉錄和(and)翻譯，并使非天然氨基酸在(exist)綠色熒光蛋白中定位結合。北京大(big)學陳鵬與季雄團隊借助遺傳密碼子拓展策略，發展了(Got it)一(one)種具有單氨基酸位點分辨率的(of)多組學技術，實現了(Got it)活細胞中染色質化學修飾的(of)編碼表達與串聯解析，将在(exist)細胞“代謝-修飾-基因轉錄”調控軸中發揮重要(want)作(do)用(use)。清華大(big)學朱聽團隊在(exist)鏡像生(born)命研究方向開展系列工作(do)，實現“鏡像”T7轉錄，拓寬其在(exist)診斷治療等方面的(of)應用(use)。

基因組編輯、基因模塊的(of)挖掘與解析、生(born)物體系的(of)模拟與設計，豐富了(Got it)合成生(born)物學的(of)底層技術。基于(At)CRISPR系統的(of)基因編輯工具在(exist)合成生(born)物學中得到(arrive)了(Got it)廣泛應用(use)。2012年，柏林馬克斯·普朗克病原體科學研究所Emmanuelle Charpentier與加州大(big)學伯克利分校Jennifer A. Doudna發現CRISPR-Cas9系統可靶向切割DNA并闡明其機制，爲(for)CRISPR-Cas9基因編輯技術建立作(do)出(out)了(Got it)奠基性的(of)貢獻，爲(for)此二人(people)被授予2020年諾貝爾化學獎。2019年，哈佛大(big)學David Liu團隊融合人(people)工核酸酶與逆轉錄酶，成功構建了(Got it)引導編輯器(prime editor)，開發了(Got it)可在(exist)哺乳動物細胞中實現12種類型堿基置換、多堿基變換以(by)及小片段的(of)插入或删除的(of)引導編輯系統。David Liu團隊還接連開發了(Got it)胞嘧啶堿基編輯器(cytosine base editor)和(and)腺嘌呤堿基編輯器(adenine base editor)，通過不(No)依賴DNA雙鏈斷裂的(of)堿基編輯技術實現了(Got it)部分堿基類型的(of)精準編輯(即堿基編輯)。除上(superior)述主要(want)基因或堿基編輯技術策略外，2019年以(by)來(Come)，基于(At)CRISPR相關轉座元件(CRISPR-associated transposons，CASTs)基因寫入技術也有了(Got it)較快發展。

基于(At)計算機輔助系統的(of)邏輯線路構建，加速了(Got it)合成生(born)物學标準化、特征化和(and)自動化的(of)實現。2016年，麻省理工學院Christopher Voigt團隊發表了(Got it)基于(At)端到(arrive)端計算機輔助設計的(of)Cello系統，用(use)于(At)在(exist)大(big)腸杆菌中構建邏輯電路，通過标準化、特征化和(and)自動化設計來(Come)實現生(born)物化的(of)工程化改造，實現更優地(land)編寫、構建、編輯和(and)共享DNA代碼。Voigt團隊的(of)系列工作(do)爲(for)合成生(born)物學領域提供了(Got it)衆多元件的(of)設計算法，同時(hour)開發了(Got it)多樣的(of)元件庫，并提供詳細的(of)表征數據。高性能計算爲(for)建模和(and)預測開辟了(Got it)新的(of)領域。華盛頓大(big)學David Baker團隊開展系列工作(do)，在(exist)蛋白質理性設計方面取得突飛猛進的(of)進展。2018年，Baker團隊首次完全從頭開始構建出(out)一(one)種能夠結合DFHBI熒光化合物的(of)β桶狀蛋白，其可以(by)高精準和(and)高親和(and)力地(land)結合并作(do)用(use)于(At)特定的(of)小分子靶标上(superior)；随後，從頭設計了(Got it)自組裝螺旋狀蛋白質細絲，不(No)僅能夠更好地(land)理解天然蛋白質細絲的(of)結構和(and)力學，同時(hour)還能創造出(out)與自然界中完全不(No)同的(of)全新材料。理性設計蛋白納米機器還能夠協助診斷和(and)治療疾病，實現對細胞更精準的(of)控制。這(this)些工作(do)開創了(Got it)人(people)類從頭開始創建和(and)定制複雜的(of)跨膜蛋白的(of)先河，使得創造自然界中不(No)存在(exist)的(of)跨膜蛋白來(Come)完成特定任務成爲(for)可能。2022年初，伊利諾伊大(big)學香槟分校Zaida Luthey-Schulten團隊利用(use)計算機模拟人(people)造細胞，研究細胞的(of)基本代謝過程和(and)遺傳信息加工過程，構建了(Got it)隻包含少數調節蛋白和(and)RNA的(of)全細胞模型，并且利用(use)該模型研究了(Got it)細胞的(of)基本生(born)命活動。

人(people)工智能的(of)發展大(big)大(big)推動了(Got it)合成生(born)物學“理性設計”的(of)進程。基于(At)人(people)工智能的(of)蛋白質結構預測算法AlphaFold爲(for)蛋白質的(of)從頭設計提供了(Got it)颠覆性的(of)技術手段，展示了(Got it)數據驅動範式在(exist)生(born)命科學研究中的(of)巨大(big)潛力。2020年，DeepMind團隊在(exist)Nature 發表了(Got it)AlphaFold算法的(of)細節和(and)表現。2021年，DeepMind團隊再在(exist)Nature 發表基于(At)神經網絡的(of)新模型AlphaFold2，其預測的(of)蛋白質結構能夠達到(arrive)原子水平的(of)準确度。2022年，AlphaFold已預測出(out)超2.14億個(indivual)蛋白質結構，幾乎涵蓋地(land)球上(superior)所有已知的(of)蛋白。同年，科技巨頭Meta(前身爲(for)Facebook)訓練了(Got it)迄今爲(for)止最大(big)的(of)蛋白質語言模型ESMFold，并以(by)此預測超6.17億個(indivual)蛋白質結構，其中還包括宏基因組中數百萬個(indivual)尚未被認知的(of)全新結構。中國(country)科研人(people)員在(exist)這(this)方面也開展了(Got it)系列工作(do)。中國(country)科學院微生(born)物研究所吳邊團隊将蛋白質計算機設計的(of)前沿方法引入酶工程的(of)研究中，促進了(Got it)複雜大(big)分子結構設計的(of)發展。中國(country)科學技術大(big)學劉海燕團隊采用(use)數據驅動策略，開辟出(out)一(one)條全新的(of)蛋白質從頭設計路線。北京大(big)學魯華與鄧明華團隊提出(out)一(one)種基于(At)圖神經網絡模型的(of)方法，利用(use)層次圖轉換器捕捉結構信息，實現了(Got it)自動而準确地(land)推斷蛋白質功能。

基于(At)數學物理模型解析生(born)物網絡拓撲結構與功能的(of)定量關系，爲(for)理解與設計人(people)工基因回路提供了(Got it)理論框架。合成生(born)物學的(of)核心科學問題：一(one)是(yes)解答生(born)命功能跨層次湧現的(of)原理，二是(yes)基于(At)湧性原理解決生(born)命系統的(of)理性設計與構建問題。爲(for)回答這(this)一(one)科學問題，研究人(people)員提出(out)定量合成生(born)物學這(this)一(one)新方向。2019年，中國(country)科學家首次提出(out)“定量合成生(born)物學”的(of)概念，并于(At)2021年組織“定量合成生(born)物學”香山科學會議，形成“‘黑箱’理論與人(people)工智能”與“多尺度‘白箱’定量理論”等重要(want)思路和(and)共識。合成生(born)物學理論體系的(of)完善将爲(for)回答其基本科學問題提供重要(want)理論指導。

生(born)物體基因組合成與組裝能力叠代提升，逐步實現原核生(born)物基因組和(and)酵母染色體的(of)合成，正在(exist)挑戰多細胞生(born)物染色體合成，支撐合成生(born)物學研究和(and)推動下遊産業轉化。

人(people)工合成病毒、細菌及酵母等微生(born)物基因組，實現了(Got it)大(big)規模人(people)工合成生(born)命遺傳物質的(of)突破；簡約基因組的(of)開發，爲(for)認識基因組功能和(and)構建底盤細胞提供了(Got it)新的(of)思路。2002年，紐約州立大(big)學石溪市分校Wimmer團隊通過化學合成病毒基因組獲得了(Got it)具有感染性的(of)脊髓灰質炎病毒，也是(yes)首個(indivual)人(people)工合成的(of)生(born)命體。繼最簡基因組(minimal cells)概念提出(out)後，2010年，美國(country)JCVI團隊合成首個(indivual)“人(people)工合成基因組細胞”——JCVI-syn1.0；之後，從syn1.0的(of)基因組中去除DNA片段，在(exist)2016年獲得了(Got it)更爲(for)精簡syn3.0，它可以(by)通過473個(indivual)基因進行代謝和(and)繁殖，但其分裂産生(born)的(of)子代細胞，形狀和(and)大(big)小卻不(No)相同。2021，JCVI團隊在(exist)syn3.0(473個(indivual)基因)細胞中加回7個(indivual)基因，使其能夠整齊地(land)分裂成均勻的(of)球體。這(this)标志着合成生(born)物學又向前邁出(out)了(Got it)重要(want)一(one)步。

合成基因組學進入真核生(born)物領域，人(people)工酵母基因組Sc2.0計劃已産出(out)系列代表性成果。2014年，紐約大(big)學Jef Boeke教授領銜的(of)研究團隊創建出(out)了(Got it)第一(one)條人(people)工酵母染色體(酵母染色體中最小的(of)3号染色體)。2017年，Sc2.0計劃向前邁進一(one)大(big)步，酵母基因組中的(of)三分之一(one)完成了(Got it)設計合成，Science 以(by)特刊形式進行了(Got it)報道。2023年，Sc2.0計劃再次取得突破，實現釀酒酵母的(of)16條染色體全部合成成功，并分别創造出(out)了(Got it)16種部分合成的(of)酵母菌株，即每種細胞内包含15條天然染色體和(and)1條合成染色體，Cell 以(by)封面故事形式進行報道。“16合1”染色體酵母和(and)“16合2”染色體酵母等成果的(of)發布，也爲(for)研究生(born)命本質開辟新的(of)方向。

繼實現原核生(born)物基因組與真核生(born)物染色體合成組裝之後，科學家正在(exist)挑戰多細胞生(born)物染色體合成。2022年，中國(country)科學院動物研究所李偉與周琪團隊實現了(Got it)哺乳動物完整染色體的(of)可編程連接，并創建出(out)具有全新核型(染色體組型)的(of)小鼠。研究人(people)員利用(use)小鼠單倍體胚胎幹細胞和(and)CRISPR基因編輯工具，成功将最長的(of)染色體1号和(and)2号進行正反連接，以(by)及将中等長度的(of)5号和(and)4号染色體進行首尾連接(實驗小鼠未表現出(out)明顯異常)。結果表明，來(Come)自小鼠的(of)兩條獨立存在(exist)的(of)染色體在(exist)基因編輯後，可以(by)以(by)非同源末端連接修複的(of)方式連接爲(for)一(one)條染色體。這(this)項工作(do)拓展了(Got it)“造物緻知”的(of)合成生(born)物學研究策略，并奠定了(Got it)相應的(of)技術平台。

使能技術的(of)系列突破，爲(for)解析生(born)命運行規律提供了(Got it)全新的(of)手段，并加快了(Got it)合成生(born)物學的(of)工程化應用(use)；生(born)物體基因組合成與組裝能力叠代提升，支撐合成生(born)物學研究和(and)推動下遊産業轉化。

青蒿素前體、阿片、大(big)麻素、茉莉素等重要(want)植物藥物、激素的(of)酵母合成，昭示了(Got it)天然産物人(people)工高效合成的(of)巨大(big)潛力。2006年，加州大(big)學伯克利分校的(of)Jay Keasling團隊通過基因網絡編輯，成功地(land)在(exist)酵母菌中生(born)産出(out)青蒿素前體，成爲(for)合成生(born)物學生(born)産植物藥物的(of)範例；随後，該團隊與中國(country)科學院深圳先進技術研究院羅小舟研究員成功地(land)在(exist)酵母菌中産出(out)多種大(big)麻素及其衍生(born)物；并實現了(Got it)植物激素茉莉素在(exist)釀酒酵母的(of)異源從頭合成。此外，斯坦福大(big)學Smolke團隊通過基因組編輯在(exist)酵母菌中完全合成阿片類藥物(opioids)，或将對罂粟種植業産生(born)重大(big)影響。

二氧化碳轉化爲(for)澱粉、葡萄糖和(and)油脂等，爲(for)二氧化碳的(of)資源化、高值利用(use)開辟了(Got it)新的(of)途徑。2021年，中國(country)科學院天津工業生(born)物技術研究所與中國(country)科學院大(big)連化學物理研究所等研究團隊進行聯合攻關，創制了(Got it)一(one)條利用(use)二氧化碳和(and)電能合成澱粉的(of)人(people)工路線——ASAP路線(artificial starch anabolic pathway)，在(exist)實驗室首次實現了(Got it)從二氧化碳到(arrive)澱粉的(of)從頭全合成。2022年，電子科技大(big)學夏川團隊、中國(country)科學院深圳先進技術研究院于(At)濤團隊與中國(country)科學技術大(big)學曾傑團隊共同完成的(of)研究表明，通過電催化結合生(born)物合成的(of)方式，将二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進一(one)步利用(use)微生(born)物可以(by)合成葡萄糖和(and)脂肪酸。

維生(born)素B₁₂等新領域精細化工産品的(of)無細胞體系合成，突破了(Got it)以(by)微生(born)物爲(for)底盤的(of)系列困難。2023年，中國(country)科學院天津工業生(born)物技術研究所張大(big)偉團隊将微生(born)物B₁₂合成途徑中的(of)24步催化反應進行模塊劃分，通過組裝36個(indivual)酶的(of)體外多酶催化系統，實現了(Got it)以(by)5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)爲(for)底物合成維生(born)素B₁₂體系構建，及以(by)HBA爲(for)底物合成維生(born)素B₁₂催化體系的(of)産量提升。

生(born)物基材料和(and)原料的(of)大(big)規模合成，展示了(Got it)綠色生(born)物制造替代傳統能源化工的(of)巨大(big)潛力；DNA存儲、納米生(born)物器件及合成生(born)物傳感器等電子生(born)命系統，正逐步從“概念”變成“産品”。生(born)物鑄造工廠(biofoundry)的(of)布局建設與高效運行，爲(for)合成生(born)物學發展提供集成式平台支撐，能夠實現數十種甚至數千種不(No)同分子的(of)生(born)物合成，加速細胞工廠的(of)工程化創新應用(use)落地(land)。合成生(born)物學的(of)應用(use)向醫學、工業、農業、能源、環境、材料、信息等領域迅速拓展，促進了(Got it)生(born)物産業高質量、高效率發展，在(exist)生(born)物經濟的(of)振興中發揮核心作(do)用(use)，爲(for)促進全球可持續發展提供全新的(of)解決方案。

此外，合成生(born)物學的(of)發展離不(No)開青年後備力量的(of)培育。國(country)際基因工程機器大(big)賽(International Genetically Engineered Machine Competition，iGEM)自2003年成立至今，30年間培育了(Got it)一(one)大(big)批青年科學家與一(one)些有影響力的(of)合成生(born)物企業，形成了(Got it)廣泛的(of)社會影響。中國(country)的(of)合成生(born)物學競賽(Synbio Challenges)創辦于(At)2022年，開局良好，逐步走向國(country)際化。這(this)些都将爲(for)合成生(born)物學、生(born)命科學、交叉學科培養後備生(born)力軍。

3  合成生(born)物學體系漸成

年來(Come)，合成生(born)物學取得長足發展，成就顯著(圖1)，逐漸減少對其他(he)工程學科理論與實踐的(of)路徑依賴。科學家對生(born)命機制的(of)理性探索(如基因網絡調控原理和(and)邏輯門的(of)設計等)、多學科的(of)介入(如系統生(born)物學、工程學、化學生(born)物學、計算機科學等)、相關領域(如遺傳學及基因組學、微生(born)物學及代謝工程學、生(born)物化工與工程學等)專家的(of)遠見和(and)執着驅動合成生(born)物學快速發展，學科體系漸成。合成生(born)物學基于(At)基礎理論指導，采取“自下而上(superior)”的(of)工程學方法，發展使能技術，并解決生(born)物體系工程化應用(use)“标準化”與缺乏理性設計的(of)難題，其學科體系主要(want)涵蓋基礎理論、使能技術、創新應用(use)等方面。與此同時(hour)，合成生(born)物學的(of)發展應同步關注與其适配的(of)政策環境，倫理、政策與法律框架，注重科學普及公衆參與(圖2)。

圖2  合成生(born)物學學科體系框架

合成生(born)物學基礎理論包括兩個(indivual)方面：一(one)是(yes)傳統“定量生(born)物學”方法，即通過定量表征組元和(and)數理演繹建模的(of)方法，構建知識驅動的(of)“白箱模型”；二是(yes)從生(born)物大(big)數據出(out)發，運用(use)機器學習等“人(people)工智能”方法加以(by)統計歸納，構建數據驅動的(of)“黑箱模型”。第一(one)類方法适合循序漸進地(land)增加系統的(of)複雜度，而第二類方法則直接從成功案例中提取生(born)命過程内在(exist)的(of)結構和(and)關聯。

合成生(born)物使能技術包括基因測序、基因組合成與組裝，新一(one)代基因組編輯技術，蛋白質設計工程(生(born)物大(big)分子工程、進化與設計)，基因線路與細胞工程，無細胞體系，多細胞體系，非天然編碼與雜合生(born)物體系、正交生(born)物體系等。此外，生(born)物自動化鑄造工廠以(by)及器件資源信息平台在(exist)合成生(born)物學的(of)發展中發揮越來(Come)越重要(want)的(of)作(do)用(use)。

合成生(born)物學的(of)創新應用(use)，包括兩個(indivual)層面，即“造物緻知，造物緻用(use)”。造物緻知是(yes)指構建生(born)命體系(如人(people)工細胞全合成)，理解生(born)物功能湧現及其底層原理。造物緻用(use)是(yes)指通過創造生(born)物體系推動生(born)物技術叠代發展及未來(Come)生(born)物經濟和(and)可持續發展，其創新應用(use)領域主要(want)包括生(born)物工業、生(born)物醫學、生(born)物農業與未來(Come)食品、環境生(born)物技術、生(born)物與信息交叉技術(如生(born)物傳感、DNA存儲)及地(land)外生(born)物等。

合成生(born)物學的(of)發展離不(No)開良好的(of)政策與監管環境。合成生(born)物科技發展與産業創新應用(use)的(of)同時(hour)，需兼顧考慮生(born)物倫理、生(born)物安全、生(born)物安保、監管、教育、公衆參與等方面。簡言之，科普教育、政策倫理和(and)法規制定與合成生(born)物科技與産業發展相伴而行，持續探讨和(and)主動解決其潛在(exist)問題，爲(for)合成生(born)物學健康發展保駕護航。随着理論、技術與應用(use)的(of)多輪驅動發展，合成生(born)物學的(of)學科體系将日臻完善。

4  總結與展望

生(born)命科學的(of)進步推動人(people)類社會發展的(of)進程。合成生(born)物學通過構建生(born)物體系可以(by)更好地(land)理解生(born)命，也可以(by)更好地(land)服務人(people)類，在(exist)生(born)命科學和(and)生(born)物技術方面都具有重要(want)意義。合成生(born)物學體系的(of)構建不(No)僅推動生(born)物工程應用(use)的(of)革命性發展，也爲(for)生(born)命科學基礎研究帶來(Come)了(Got it)嶄新機遇。但是(yes)，當前合成生(born)物學的(of)發展也面臨若幹挑戰，如全細胞模拟設計、人(people)工細胞合成、實時(hour)生(born)物傳感、DNA設計的(of)深度學習、定制和(and)動态合成基因組、細胞群落和(and)多細胞群落構建、爲(for)可持續性目标而設計的(of)生(born)物體等，需從理論與技術層面實現突破。

合成生(born)物學未來(Come)的(of)發展将受到(arrive)多個(indivual)關鍵因素的(of)推動，每個(indivual)因素都将爲(for)合成生(born)物學體系的(of)搭建和(and)應用(use)賦能提供前所未有的(of)動力。首先，生(born)命科學領域的(of)發現和(and)突破，爲(for)合成生(born)物學的(of)開創性發展奠定基礎，揭示生(born)物系統複雜性的(of)新認知。其次，合成生(born)物學定量理論的(of)發展将進一(one)步增強對生(born)命機制與規律的(of)理解，爲(for)“造物緻知”和(and)“造物緻用(use)”提供理論指導。再次，合成生(born)物的(of)底層工具和(and)共性技術的(of)不(No)斷叠代将重塑這(this)一(one)領域，使研究人(people)員能夠以(by)更精準、高效的(of)方式工程化生(born)物體系。最後，由人(people)工智能驅動的(of)合成生(born)物科技與産業将帶來(Come)變革性的(of)力量，大(big)幅提升生(born)物工具設計創制的(of)能力、速度、精度，爲(for)合成生(born)物研發與應用(use)提供超乎想象的(of)機遇，其影響涵蓋從個(indivual)性化醫學到(arrive)可持續生(born)物制造的(of)多個(indivual)領域，最終将形塑一(one)個(indivual)理論突破、技術創新與賦能增效相互交織的(of)未來(Come)。