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來源：顛覆性創(chuàng)新 作者：醫(yī)藥衛(wèi)生課題組 合成生物學(xué)是一門多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域，這一技術(shù)的出現(xiàn)，為改造生物體提供了更大的可能。該技術(shù)以系統(tǒng)生物學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，融入工程學(xué)的模塊化概念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，綜合利用化學(xué)、信息科學(xué)、物理、生物科學(xué)等知識(shí)和技術(shù)，能夠指導(dǎo)化學(xué)品合成長(zhǎng)的DNA片段，改進(jìn)遺傳進(jìn)程，設(shè)計(jì)遺傳途徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物系統(tǒng)的精確的控制。合成生物學(xué)（synthetic biology）真正的起源可以追溯到1961年，Monod和Jacob提出細(xì)胞中存在調(diào)節(jié)通路使其得以對(duì)復(fù)雜環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)。20世紀(jì)90年代，“組學(xué)” （omics）時(shí)代到來，人類基因組計(jì)劃及此后興起的一系列生命“組學(xué)”，從根本上提供了生物體和生命運(yùn)動(dòng)的“藍(lán)圖”乃至“程序”。在合成基因組方面，2002年，人類首次合成病毒。2010年，美國(guó)Craig Venter的實(shí)驗(yàn)室首次成功合成人工生命體，該實(shí)驗(yàn)的成功使“合成生物學(xué)”成為一個(gè)熱門的名詞。（1）合成生物學(xué)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛2000年以來，在Drew Andy,Jay D.Keasling，James J. Collins 等多人推動(dòng)下，合成生物學(xué)在生物元件標(biāo)準(zhǔn)化及生物模塊的設(shè)計(jì)和構(gòu)建方面取得了很大進(jìn)展，標(biāo)準(zhǔn)化生物元器件庫被建立，控制轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白調(diào)控、信號(hào)識(shí)別等各個(gè)生命活動(dòng)的遺傳電路也相繼被開發(fā)，并有望在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。另一方面，J. Craig Venter研究所（J. Craig Venter Institute, JCVI）于1995年開始的最小基因組及合成基因組學(xué)研究也于近期取得了突破性進(jìn)展。近年來，合成生物學(xué)的發(fā)展迅猛。DNA操作方面，建立了基于內(nèi)切酶的拼接、位點(diǎn)特異性重組、基于重疊序列的拼接以及體內(nèi)DNA拼接的方法對(duì)DNA進(jìn)行組裝；從頭合成DNA技術(shù)；開發(fā)基因組編輯工具，括CRISPR/Cas9基因編輯系統(tǒng)以及高通量基因組工程等。目前，生物合成學(xué)在化學(xué)品、醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)日常生活和社會(huì)的各個(gè)方面產(chǎn)生了巨大影響。合成生物學(xué)對(duì)人類社會(huì)在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、能源等領(lǐng)域帶來重要影響，在生物技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，引起世界各國(guó)/地區(qū)的廣泛關(guān)注。歐盟、美國(guó)先后制定了合成生物學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略及規(guī)劃，并投入大量資金支持合成生物學(xué)相關(guān)研究，并相繼成立合成生物學(xué)研究機(jī)構(gòu)。至2017年5月，歐盟資助的合成生物學(xué)研究項(xiàng)目共282項(xiàng)，經(jīng)費(fèi)累計(jì)達(dá)5.6億歐元，美國(guó)Federal REPOTER平臺(tái)公布的政府對(duì)合成生物學(xué)的研究經(jīng)費(fèi)支持約4.5億美元，雖然私營(yíng)部門也積極參與合成生物學(xué)的研發(fā)，但這一領(lǐng)域主要還是政府投入大量資金，且經(jīng)費(fèi)逐年增加。3、合成生物學(xué)技術(shù)對(duì)未來生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的影響合成生物學(xué)涉及產(chǎn)業(yè)界多個(gè)方面、多種應(yīng)用領(lǐng)域，美國(guó)國(guó)防部在2013~2017年科技發(fā)展“五年計(jì)劃”中將合成生物學(xué)列入未來重點(diǎn)關(guān)注的六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一，認(rèn)為合成生物學(xué)在軍用藥物快速合成、生物病毒戰(zhàn)、基因改良、人體損傷快速修復(fù)等方面具有顛覆性應(yīng)用前景。美國(guó)和英國(guó)政府對(duì)合成生物學(xué)研究的資助力度較大。合成生物學(xué)在醫(yī)藥領(lǐng)域已有應(yīng)用，包括開發(fā)人工減毒或者無毒活疫苗、合成噬菌體設(shè)計(jì)進(jìn)行噬菌體治療、工程化微生物量產(chǎn)小分子化合物、開發(fā)新型藥物傳遞系統(tǒng)等。美國(guó)伍德羅威爾遜國(guó)際學(xué)者中心科技創(chuàng)新計(jì)劃中的合成生物學(xué)項(xiàng)目列表中處于研發(fā)階段的藥物多數(shù)處于臨床前階段，僅用于糖尿病腎病治療的SER-150-DN處于臨床Ⅱ期。除了基于合成生物學(xué)新藥研發(fā)之外，通過合成生物學(xué)相關(guān)技術(shù)手段在醫(yī)藥化工領(lǐng)域中可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生物轉(zhuǎn)化合成也是研究的熱點(diǎn)之一。從世界范圍內(nèi)看，我國(guó)在合成生物學(xué)研究向醫(yī)藥領(lǐng)域轉(zhuǎn)化應(yīng)用方面還有待提高。4、合成生物學(xué)在我國(guó)的發(fā)展及趨勢(shì)我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)合成生物學(xué)領(lǐng)域的資助始于2007年，至2016年已資助合成生物學(xué)相關(guān)項(xiàng)目121項(xiàng)，共計(jì)經(jīng)費(fèi)1.2億元。在面上項(xiàng)目和創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目中，均已投入3000～4000萬元的資助。重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)際（地區(qū)）合作與交流項(xiàng)目資助金額均已超過1000萬元。在973項(xiàng)目和863項(xiàng)目的支持下，主要開展的研究涉及微生物制造、腫瘤治療和植物改造等。這些項(xiàng)目目前都取得了顯著進(jìn)展，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先或首創(chuàng)水平，完成產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型變革。（2）論文與專利發(fā)表數(shù)量日益增加我國(guó)合成生物學(xué)論文的迅速增長(zhǎng)期始于2010年，主要源于973和863等重大研究計(jì)劃從2010年開始相繼支持合成生物學(xué)研究。同時(shí)以“合成生物學(xué)”為主題的首屆“中德前沿探索圓桌會(huì)議”2010年在中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院開幕，標(biāo)志著中國(guó)的合成生物學(xué)研究開始步入國(guó)際軌道。在國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的專利檢索平臺(tái)通過檢索、人工判讀的方式獲得在我國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)的合成生物學(xué)相關(guān)專利963件，1987年國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局開始有受理合成生物學(xué)專利申請(qǐng)，之后專利申請(qǐng)數(shù)量緩慢增長(zhǎng)，直至2013年，專利申請(qǐng)數(shù)量達(dá)到峰值114件目前我國(guó)科學(xué)家已人工合成16條真核生物釀酒酵母染色體中的4條，占國(guó)際已完成數(shù)量的66.7%。這意味著我國(guó)已經(jīng)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)具備真核基因組設(shè)計(jì)與構(gòu)建能力的國(guó)家，這不僅使我國(guó)在該領(lǐng)域形成了一系列人工合成的突破性技術(shù)和成果，也使我國(guó)進(jìn)入了國(guó)際合成生物技術(shù)領(lǐng)域的第一梯隊(duì)，由“跟跑”階段進(jìn)入“并跑”階段。5、技術(shù)研發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)與倫理問題合成生物學(xué)可能存在的生物安全風(fēng)險(xiǎn)主要包括：一是天然和合成生物在生理學(xué)上的差異會(huì)影響它們與周邊環(huán)境的相互作用，可能會(huì)導(dǎo)致有毒物質(zhì)或其他有害代謝物的產(chǎn)生，對(duì)其他生物和生態(tài)環(huán)境的安全性產(chǎn)生潛在威脅。二是逃逸到自然環(huán)境中的微生物，通常具有普通生物體所不具有的生存優(yōu)勢(shì)，能在自然環(huán)境中無限增殖從而對(duì)棲息地的生態(tài)環(huán)境、食物鏈或生物多樣性產(chǎn)生巨大威脅。三是合成生物可能會(huì)快速進(jìn)化和適應(yīng)環(huán)境，填補(bǔ)新的生態(tài)位。必須要明確合成微生物及其遺傳物質(zhì)進(jìn)化的速率，以確定生物體是否會(huì)在自然環(huán)境中長(zhǎng)期存留、傳播或者改變習(xí)性。四是合成微生物的基因轉(zhuǎn)移。微生物具有與其他生物交換遺傳物質(zhì)或從環(huán)境中攝取免費(fèi)DNA的能力，人工改造導(dǎo)入抗生素抵抗基因的細(xì)菌，若被釋放到環(huán)境中，易使致病菌具有抵抗抗生素的能力，給細(xì)菌感染的治療造成很大的困難。五是合成生物還有可能被用于制造新的生物武器。
關(guān)于合成生物學(xué)倫理方面的爭(zhēng)議主要涉及制造生命有機(jī)體的正當(dāng)性問題。有關(guān)合成生物學(xué)的倫理爭(zhēng)議大多集中于兩個(gè)角度：一是合成生物學(xué)家人工制造自然界中不存在的生命，違背了上帝有關(guān)生命法則的旨意以及順應(yīng)自然發(fā)展規(guī)律的倫理；二是合成生物學(xué)家人工合成生命違背了尊重生命的倫理原則。6、合成生物學(xué)技術(shù)發(fā)展的環(huán)境和條件從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)品研發(fā)的全鏈條創(chuàng)新布局我國(guó)在合成生物學(xué)的基礎(chǔ)研究方面取得重要突破，但合成生物學(xué)產(chǎn)品研發(fā)能力仍有待提高。不同于國(guó)際上大型生物醫(yī)藥公司作為專利和產(chǎn)品的研發(fā)主體，我國(guó)在該領(lǐng)域技術(shù)研究主要由高校和科研院所完成，醫(yī)藥企業(yè)投入力度不足，一定程度上造成了基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品研發(fā)之間的脫節(jié)。建議在關(guān)注實(shí)驗(yàn)室研究的同時(shí)，鼓勵(lì)醫(yī)藥企業(yè)加大科研投資力度，促進(jìn)科研成果向醫(yī)藥產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。完善的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品研發(fā)監(jiān)管體系科學(xué)進(jìn)展往往快于政策制定，同時(shí)合成生物學(xué)的界限也在不斷變化，因此應(yīng)關(guān)注與合成生物學(xué)治理和監(jiān)管相關(guān)的問題，建議政府盡快推動(dòng)制定合成生物學(xué)實(shí)驗(yàn)安全技術(shù)導(dǎo)則，梳理和完善已有的法律法規(guī)。針對(duì)合成生物的安全性建立健全的、規(guī)范的技術(shù)指南和國(guó)家層面的安全法規(guī)以及監(jiān)管體系，建立從宏觀政策到法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的全面管理體系，從研究與應(yīng)用兩方面加強(qiáng)對(duì)合成生物學(xué)技術(shù)的監(jiān)管。健全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度與科學(xué)家自律機(jī)制提倡建立政府監(jiān)管下的合成生物學(xué)家自律機(jī)制，鼓勵(lì)成立相關(guān)的行業(yè)協(xié)會(huì)或科學(xué)家組織，訂立規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。對(duì)于任何合成生物相關(guān)的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品研發(fā)必須滿足規(guī)定的安全要求和遵守嚴(yán)格的安全程序。建議設(shè)立合成生物安全性評(píng)估機(jī)構(gòu)，建立完善系統(tǒng)的評(píng)估制度，引導(dǎo)社會(huì)認(rèn)識(shí)合成生物的兩面性。促進(jìn)合成生物學(xué)技術(shù)包容性發(fā)展的良好環(huán)境合成生物學(xué)是交叉性學(xué)科，既產(chǎn)生于多個(gè)學(xué)科，又回饋于這些學(xué)科。持續(xù)包容對(duì)于合成生物學(xué)的持續(xù)發(fā)展十分重要。一方面，建議與產(chǎn)業(yè)界、監(jiān)管和政策制定機(jī)構(gòu)交流合作，使技術(shù)推動(dòng)與市場(chǎng)拉動(dòng)相結(jié)合。另一方面，建議引導(dǎo)更多的公眾參與合成生物學(xué)對(duì)話，了解其可能存在的內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)，討論有關(guān)的生物安全和倫理問題。7、合成生物學(xué)技術(shù)未來發(fā)展預(yù)測(cè)以基因組設(shè)計(jì)合成為標(biāo)志的合成生物學(xué)是繼“DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組測(cè)序計(jì)劃”之后，即將引發(fā)的第三次生物技術(shù)科技革命。作為引領(lǐng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的顛覆性技術(shù)，合成生物技術(shù)將對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，同時(shí)也是我國(guó)面向世界科技前沿、占領(lǐng)新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的戰(zhàn)略選擇。
未來，隨著各元件、模塊標(biāo)準(zhǔn)化原則的明確，與之配套的設(shè)計(jì)方法的建立，操作簡(jiǎn)易的合成生物學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，大片段DNA合成的通量提高、成本降低，加之自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成熟，合成生物學(xué)有望形成一套從電腦輔助設(shè)計(jì)基因回路，到各元件、模塊的合成與拼接，到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基因回路功能，到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合數(shù)學(xué)模型并對(duì)各元件、模塊的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再到基因回路的進(jìn)一步優(yōu)化，這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化流程。來源：顛覆性創(chuàng)新&戰(zhàn)略前沿技術(shù) |
