合成生物學（Synthetic Biology）被視為繼“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組計劃”后第三次生物技術(shù)革命，融合了生命科學、工程學、基因組學、信息學、數(shù)學、化學、計算機科學等諸多學科，在醫(yī)藥、能源、材料、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有極其廣闊的應(yīng)用前景，已成為世界各國科技競爭主戰(zhàn)場之一。總體而言，合成生物學可概括為通過構(gòu)建具有期望功能的生物系統(tǒng)，生產(chǎn)各種人類需要的物品。本期我們走近合成生物學，一探它的“前世今生”。
圖1 三次生物技術(shù)革命
追本求源：合成生物學的歷程變遷
合成生物學自概念提出到現(xiàn)在發(fā)展歷史已超百年。最早可溯源至19世紀中葉合成化學的出現(xiàn)打破無機物和有機物的界限，推翻“生命力論”,顛覆了人類對生命體（動物、植物、微生物等）的認知。此后，“細胞學說”“生物化學”“遺傳學說”等相繼提出，人類從細胞層面、分子層面實現(xiàn)對生命體認識的飛躍，合成生物學亦隨之演化。總體看，合成生物學發(fā)展歷程大致可分為三大階段：
圖2 合成生物學發(fā)展歷程
縱觀學科起源和發(fā)展歷程，合成生物學的崛起以其鮮明的“工程學本質(zhì)”特征，顛覆了以發(fā)現(xiàn)描述和定性分析為主的傳統(tǒng)生物學研究范式，除對原有生命科學與代謝工程的“延長線”式發(fā)展外，更是將原有生物技術(shù)上升到了工程化、系統(tǒng)化和標準化的高度，開啟了可定量、可計算、可預(yù)測及工程化的新時代[1]。
洞若觀火：合成生物相關(guān)概念辨析
從技術(shù)演變看，生物技術(shù)、合成生物技術(shù)與基因編輯技術(shù)存在包含與被包含的關(guān)系。
圖3 合成生物技術(shù)與生物技術(shù)、基因編輯技術(shù)關(guān)系圖
從產(chǎn)業(yè)范疇看，合成生物學是生物制造最重要的底層技術(shù)之一，生物制造是合成生物技術(shù)的主要應(yīng)用場景。合成生物制造隸屬于生物制造，與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)存在交叉重疊的關(guān)系。
圖4 合成生物制造與生物制造、生物醫(yī)藥關(guān)系圖
本期結(jié)語
合成生物學作為新興學科提出時日不長、涉及領(lǐng)域廣，其定義仍見仁見智、尚未形成共識。在此，我們引用科技部“合成生物學”重點專項項目申報指南中的定義進行總結(jié)：“合成生物學是以工程化設(shè)計理念，對生物體進行有目標的設(shè)計、改造乃至重新合成”。
結(jié)合合成生物制造流程來看，其本質(zhì)就是“細胞工廠”，通過基因技術(shù)編輯底盤細胞，將生物碳基原料置于底盤細胞中進行發(fā)酵，之后采用多種技術(shù)將發(fā)酵產(chǎn)品從發(fā)酵液或者細胞中分離、純化出來，在達到特定標準后制成產(chǎn)品。更通俗地理解，底盤細胞相當于奶牛，各種原料相當于低價值的草料，通過改造優(yōu)化過的底盤細胞，添加低廉原料后經(jīng)過發(fā)酵等一系列工藝產(chǎn)生的高價值的化學或生物產(chǎn)品。
圖5 合成生物制造流程
總體看，合成生物學突破了生物體的自然局限，使其擁有滿足人類需求的生物功能，可利用高效能量和高效物質(zhì)合成的能力，解決人類面臨的食品缺乏、能源緊缺、環(huán)境污染、醫(yī)療健康等多方面的問題。目前，政產(chǎn)學研各方均在共同努力，持續(xù)發(fā)力加速合成生物學底層和共性技術(shù)突破，力促其轉(zhuǎn)化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，我們期待合成生物學未來在科技、產(chǎn)業(yè)、社會、生態(tài)等領(lǐng)域創(chuàng)造更高的價值。下一期，我們將對國內(nèi)外合成生物學戰(zhàn)略部署和產(chǎn)業(yè)謀劃等情況進行追蹤。
參考資料
[1] 《中國合成生物學2035發(fā)展戰(zhàn)略》，北京，科學出版社
[2] 本文圖片來源于公開資料，北國咨整理。
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