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)等的交叉學(xué)科。它結(jié)合了生命科學(xué)觀察分析的方法和工程學(xué)的設(shè)計思維，使人類得以通過工程方法，設(shè)計、改造，甚至從頭合成具有特定功能的生物系統(tǒng)。

“Synthetic Biology”一詞由法國物理化學(xué)家斯蒂芬·勒杜克于1911年在其所著的《生命的機(jī)理》一書中首次提出。但直到上世紀(jì)中期，合成生物學(xué)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)才逐步建立起來。

上世紀(jì)50年代DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)后，遺傳密碼的破譯、限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)、PCR技術(shù)的發(fā)明等一系列重大分子生物學(xué)成就，催生了基因工程技術(shù)，也正式開啟了合成生物學(xué)的大門。1980年，德國科學(xué)記者芭芭拉·霍博姆開始使用“合成生物學(xué)”這一概念來表述基因重組技術(shù)。

進(jìn)入21世紀(jì)，合成生物學(xué)迎來迅速發(fā)展的時代。

◆ 2000年，美國科學(xué)家先后在大腸桿菌中利用基因元件構(gòu)建“雙穩(wěn)態(tài)基因開關(guān)”“生物振蕩器”和“邏輯線路”，標(biāo)志著復(fù)雜合成生物學(xué)的正式開端。

◆ 2002年,美國紐約州立大學(xué)石溪分校維默爾團(tuán)隊通過化學(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，這是人類歷史上首個人工合成的生命體。

◆ 2003年，美國加州大學(xué)伯克利分校杰伊·D·科斯林團(tuán)隊在大腸桿菌中成功合成青蒿酸的前體物——青蒿二烯，開啟了人造細(xì)胞工廠生產(chǎn)植物來源天然化合物的新時代。

◆ 2008年，美國科學(xué)家克雷格·文特爾領(lǐng)導(dǎo)的研究小組人工合成了生殖支原體的基因組DNA，這是第一個人工合成的原核生物基因組。

◆ 2009年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院馬丁·佛森格團(tuán)隊合成了一種可調(diào)的哺乳動物細(xì)胞振蕩器，首次在哺乳動物細(xì)胞中實現(xiàn)了對基因表達(dá)的周期性控制。

◆ 2010年，美國科學(xué)家克雷格·文特爾團(tuán)隊成功合成僅由合成染色體控制的新支原體細(xì)胞，并宣布首個“人工合成基因組細(xì)胞”誕生。

◆ 2014年，美國斯克里普斯研究所羅梅斯伯格團(tuán)隊設(shè)計合成了一個非天然堿基配對X和Y,并將它們整合到大腸桿菌基因組。這意味著在控制條件下,未來的生命形式有無限種可能。同年，美、英、法等多國研究人員組成的科研小組首次合成人工真核生物染色體，并在酵母體內(nèi)正常發(fā)揮功能。

◆ 2016年，世界首個人工合成的基因組細(xì)胞生物“辛西婭3.0”誕生。這種“最簡生命”將成為未來人造生命的基石。同年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院馬丁·佛森格團(tuán)隊開發(fā)出虛擬人工胰島細(xì)胞。

◆ 2017年，上?？茖W(xué)家人工合成4條酵母染色體，這是繼合成原核生物染色體之后的又一里程碑式突破，開啟了人類“設(shè)計生命、再造生命和重塑生命”的新紀(jì)元。

◆ 2018年，上?？茖W(xué)家將釀酒酵母的16條染色體融合為1條染色體，人工創(chuàng)造出了一種新型酵母，這是世界首例人造單染色體真核細(xì)胞。

◆ 2021年，上海科學(xué)家開發(fā)出新型光遺傳學(xué)工具，在糖尿病小鼠身上實現(xiàn)光照降血糖。

作為21世紀(jì)生物學(xué)領(lǐng)域催動顛覆性創(chuàng)新和學(xué)科交叉融合的前沿代表，合成生物學(xué)受到從學(xué)界到資本的高度關(guān)注，各國相繼出臺相關(guān)政策與研究計劃，推動合成生物學(xué)發(fā)展。在中國，上海、天津、深圳成為合成生物學(xué)發(fā)展重鎮(zhèn)。

近年來，合成生物學(xué)及其應(yīng)用已在深刻影響化工、食品、消費(fèi)品、能源、醫(yī)療健康和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展，創(chuàng)造了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)價值。麥肯錫全球研究院發(fā)布的一份研究報告指出，合成生物學(xué)技術(shù)在未來的一二十年中，每年將為全球帶來至少2萬億美元的直接經(jīng)濟(jì)效益。

>>>創(chuàng)新案例

智能細(xì)胞療法

通過建立人工基因線路與定制化細(xì)胞，合成生物學(xué)已用于開發(fā)基于哺乳動物細(xì)胞和微生物細(xì)胞的細(xì)胞療法，用于代謝性疾病和腫瘤等重大疾病的治療。嵌合抗原受體T細(xì)胞（CAR-T）免疫療法通過對T細(xì)胞進(jìn)行改造，使其專門識別體內(nèi)腫瘤細(xì)胞，并通過免疫作用釋放大量多種效應(yīng)因子，從而達(dá)到清除腫瘤的療效。有高科技企業(yè)開發(fā)的工程益生菌可在腸道內(nèi)清除有害代謝物，緩解苯丙酮尿癥等罕見代謝病。

RNA藥物

RNA藥物分為寡核苷酸藥物和mRNA藥物。在新冠疫情期間，mRNA技術(shù)在快速開發(fā)疫苗方面優(yōu)勢凸顯。德國莫德納公司開發(fā)的mRNA-1273在25天內(nèi)完成了抗新冠病毒疫苗的序列設(shè)計和生產(chǎn)，并破紀(jì)錄地用63天完成從序列設(shè)計到首個受試者給藥。該疫苗于2020年底獲得FDA緊急使用授權(quán)。

基因編輯

商用基因編輯技術(shù)主要包括鋅指核酸酶、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)核酸酶和定期聚集的短回文重復(fù)序列（CR ISPR）3種類型。2020年諾貝爾化學(xué)獎得主?，敿~埃勒·沙爾龐捷等人創(chuàng)辦的瑞士公司CR ISPR就將CR ISPR/Cas9基因編輯技術(shù)用于β地中海貧血、血友病、杜氏肌營養(yǎng)不良癥、囊性纖維化等疾病治療的應(yīng)用研究。

微生物固氮

世界上已有農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)公司研發(fā)出針對玉米作物的微生物固氮產(chǎn)品PROVEN——促使特定的微生物在作物根部釋放氮。2020年，PROVEN被《自然》子刊評選為6種正在改變世界的合成生物學(xué)產(chǎn)品之一。目前，該微生物固氮產(chǎn)品使用面積已經(jīng)達(dá)到25萬英畝。

綜合：摘編自《柯南聊醫(yī)療》

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