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一文詳述「合成生物學(xué)」

 liuherotao007 2022-05-19 發(fā)布于山西
導(dǎo)讀:從人造蛋、人造合成牛奶、人造牛肉、人造蜘蛛絲、甚至是人造生命;合成生物學(xué)給我們帶來太多驚喜和希望,不斷發(fā)展的合成生物學(xué)給未來帶給更大的可能!
本文從合成生物學(xué)的歷史,定義,原理,技術(shù)及實際應(yīng)用和市場上的玩家分類進(jìn)行簡要的論述,由于個人水平有限,如有錯誤,煩請指正。

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一、合成生物學(xué)的歷史
翻閱歷史的書籍,我們發(fā)現(xiàn)“合成生物學(xué)”這個詞第一次出現(xiàn),是在法國物理化學(xué)家Stephane Leduc于1911年發(fā)表的《生命的機(jī)理》(The Mechanism of Life) 一書中,但是由于時代認(rèn)知的局限,那時候的合成生物學(xué)定義和現(xiàn)在的大相徑庭。真正有合成生物學(xué)這一專業(yè)術(shù)語含義的是1980年德國科學(xué)家芭芭拉·荷本Hobom B首次用這個詞來解釋基因工程菌。
而《生物合成學(xué)》成為了一門真正的學(xué)科則是基于2000 年E. Kool 對合成生物學(xué)的重新定義,他將《合成生物學(xué)》定義為基于系統(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程學(xué)。
時間來到了2010年5月20日,美國Science雜志報道生物學(xué)家克雷格·文特爾J·Craig Venter的研究小組制造出了世界上首個人造生命“辛西婭(synthia)”,此消息一出,立馬引起了全世界的關(guān)注。
我們常說21世紀(jì)是生物的世紀(jì),合成生物學(xué)也在這個時代下蓬勃發(fā)展走向美好未來!
二、到底什么是合成生物學(xué)?
從定義上講,合成生物學(xué)(synthetic biology)是指在工程學(xué)思想指導(dǎo)下,對生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計、 改造、甚至創(chuàng)建賦予非自然功能的“人造生命”,即生物學(xué)的工程化。合成生物學(xué)是分子和細(xì)胞生物學(xué)、進(jìn)化系統(tǒng)學(xué)、生物化學(xué)、信息學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)和工程學(xué)等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物。
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圖表來源:合成生物學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與前景
三、合成生物學(xué)原理
具體來講,合成生物學(xué)以工程化的策略為指導(dǎo)思想,以DNA合成技術(shù)為基礎(chǔ)。有目的地設(shè)計合成標(biāo)準(zhǔn)化的生物元件(具有特定功能的氨基酸/或者核苷酸序列如啟動子、終止子、阻遏子、增強(qiáng)子等),構(gòu)建特定的基因回路,再組裝成集成系統(tǒng),最后設(shè)計組裝具有特定功能的人工生命系統(tǒng)(組織或個體生命等)。
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圖片來源:http://www./ 
四、合成生物學(xué)重要研究內(nèi)容
1、生物大分子的合成以及模塊化(蛋白質(zhì)、核酸等)
2、生物基因組的設(shè)計合成、簡化與構(gòu)建
3、合成生命代謝網(wǎng)絡(luò)
4、遺傳/基因回路的設(shè)計構(gòu)建
5、細(xì)胞工廠和人工多細(xì)胞體系
6、工程生物系統(tǒng)的計算機(jī)模擬和功能預(yù)測
五、合成生物學(xué)重要技術(shù)
1、DNA合成技術(shù):
柱式寡核苷酸合成技術(shù)、芯片DNA合成技術(shù)、酶促DNA合成技術(shù)。
DNA合成技術(shù)是合成生物學(xué)的核心技術(shù),指通過化學(xué)合成和酶促合成來合成寡核苷酸片段。
其中化學(xué)合成法又稱作固相亞磷酰胺三酯化學(xué)合成法,是將DNA固定在固相載體上完成DNA鏈的自動循環(huán)合成的,合成的方向是由待合成引物的3'端向5'端合成的,相鄰的核苷酸通過3'→5'磷酸二酯鍵連接。該技術(shù)又以應(yīng)用不同的固相載體又分為柱式寡核苷酸合成技術(shù)芯片DNA合成技術(shù)。其中柱式多以填充多孔玻璃(controlled pore glass,CPG)或聚苯乙烯(polystyrene,PS)篩板的合成柱作為固相載體。
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亞磷酰胺三酯化學(xué)合成的基本循環(huán)
圖片來源:DNA合成、組裝與糾錯技術(shù)研究進(jìn)展
酶促合成法:由于化學(xué)合成法使用的有機(jī)試劑不僅有毒、易燃且不穩(wěn)定,所以大家都致力于尋求一種新型的、不借助DNA模板,只在酶的催化作用下進(jìn)行DNA合成的技術(shù),該技術(shù)選擇將末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶(TdT)與dNTP通過連接子連接,所得dNTP-TdT交聯(lián)體可在10-20s的時間完成DNA鏈的延伸,Molecular Assemblies,Inc公司是首個將該技術(shù)推到商業(yè)化的公司。
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TdT-dNTP 交聯(lián)體介導(dǎo)的可逆終止用于寡核苷酸合成循環(huán)
圖片來源:DNA合成、組裝與糾錯技術(shù)研究進(jìn)展
2、DNA組裝技術(shù):
從頭合成的大片段的DNA組裝技術(shù),是基因合成的關(guān)鍵。包括:BioBrick? 、Golden Gate、Overlap PCR、CPEC、TAR(酵母內(nèi)同源重組)、Gibson assembly、SLIC
現(xiàn)有的DNA合成技術(shù)其實很有限,無法直接準(zhǔn)確合成基因長度的DNA片段,分級的體外與體內(nèi)組裝技術(shù)的合理搭配,可將分段合成的寡核苷酸片段裝配成長片段DNA,達(dá)到基因長度甚至基因組長度DNA序列的合成。
3、基因編輯技術(shù):
傳統(tǒng)基因打靶技術(shù)(λ-Red同源重組、位點特異性重組)、新型的靶向基因編輯技術(shù):DNA編輯(ZFN、TALEN、CRISPR)、RNA編輯(LEAPER?)等
新型基因編輯技術(shù)是合成生物學(xué)新興技術(shù)之一。對基因序列進(jìn)行編輯“改正或修正”,具體來講就是使用特異性蛋白將剪切工具帶到特定位點,實現(xiàn)敲入、敲除或改寫,包括DNA編輯和RNA編輯,傳統(tǒng)的基因編輯是根據(jù)DNA同源重組原理的基因打靶技術(shù),包括λ-Red同源重組、位點特異性重組(Cre-Loxp、Flp-FRT、attB-attP等)。
DNA編輯
①鋅指核酸酶ZFN技術(shù):
鋅指核酸酶(ZFN)是人工改造的限制性內(nèi)切酶,由鋅指蛋白和FokⅠ內(nèi)切酶兩部分組成,前者是擁有特異性識別的DNA結(jié)合域,用來確定靶點,后者是進(jìn)行非限制性內(nèi)切酶功能的DNA剪切域。
通過ZFN將DNA雙鏈斷開后,細(xì)胞內(nèi)的非同源末端(NHEJ)修復(fù)系統(tǒng)和同源重組(HR)修復(fù)系統(tǒng)會自動修復(fù)。非同源末端(NHEJ)修復(fù)系統(tǒng)可能產(chǎn)生隨機(jī)插入和(或)缺失,引起移碼突變,實現(xiàn)基因敲除,而同源重組(HR)修復(fù),會使基因組DNA修復(fù)或者在切割部位發(fā)生基因替換。
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ZFN酶切割基因形成雙鏈后的自我修復(fù)
圖片來源:Genome Engineering With Zinc-Finger Nucleases
 ②轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶TALEN技術(shù):

TALEN技術(shù)的作用機(jī)制與ZFN類似,也是由特異性識別目標(biāo)序列的TALE蛋白和介導(dǎo)切割的FokⅠ內(nèi)切酶兩部分組成。相較于ZFN技術(shù),TALEN技術(shù)設(shè)計更簡單,特異性更高。因其蛋白結(jié)構(gòu)可以特異性識別A、T、G、C這4種堿基的一個或多個。研究表明使用該技術(shù)可以用于治療胰蛋白缺乏癥(AAT)患者。

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TALEN結(jié)構(gòu)
圖片來源:TALE and TALEN genome editing technologies[J]. Gene and Genome Editing
③成簇的規(guī)律間隔的短回文重復(fù)序列
CRISPR / Cas9技術(shù):
CRISPR/Cas9技術(shù)是一項基因編輯的新興技術(shù),于2020年獲得諾貝爾化學(xué)獎,該技術(shù)可直接用于基因突變或敲除。相較于傳統(tǒng)以基因重組為基礎(chǔ)的基因編輯技術(shù),CRISPR/Cas9技術(shù)操作簡單、成本低、編輯位點精確、脫靶率低,其基因編輯效率超過30%,大大降低了基因編輯的時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。
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圖片來源:基因魔剪:改寫生命密碼新工具
利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)不僅可以治療人類某些遺傳疾病,如治療鐮狀細(xì)胞性貧血和β地中海貧血等血液疾病以及遺傳性眼病等,還可以通過改良植物、微生物等基因應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、化工等領(lǐng)域。應(yīng)用前景光明!
RNA編輯
RNA單堿基編輯技術(shù)LEAPER?
不同于DNA編輯是對遺傳信息的永久改變。RNA編輯是可逆的,且編輯效果與劑量有關(guān)。RNA單堿基編輯技術(shù)LEAPER?是利用內(nèi)源性ADAR對RNA進(jìn)行程序化編輯(ADAR是Adenosine Deaminase Acting on RNA的縮寫,即RNA腺苷脫氨酶)。
該技術(shù)利用細(xì)胞中的自然機(jī)制,只需轉(zhuǎn)入一條特殊設(shè)計的“向?qū)А盧NA,就能夠通過招募細(xì)胞內(nèi)源的蛋白對目標(biāo)RNA上特定的核苷酸產(chǎn)生高效精準(zhǔn)的編輯,并不需要引入任何外源效應(yīng)蛋白。
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圖片來源:https://www./overview/
4、體內(nèi)定向進(jìn)化技術(shù):PAGE、RAGE
定向進(jìn)化指的是在實驗室條件下定向的創(chuàng)造突變,并對突變文庫施加篩選壓力,從而篩選出具有期望表型的突變體。目前體內(nèi)定向進(jìn)化的新技術(shù)主要有:PAGE、RAGE
PAGE技術(shù):通過將生物分子的實驗室進(jìn)化和一種噬菌體的生命周期結(jié)合,讓蛋白在24小時內(nèi)進(jìn)化60輪的一種技術(shù)。
RAGE技術(shù):美國伊利諾伊大學(xué)研究團(tuán)隊在酵母中開發(fā)一類基于RNA干擾的基因組進(jìn)化方法,鑒定了3個敲除靶點,該技術(shù)能夠加快基因篩選。
六、合成生物學(xué)在實際生活中的應(yīng)用
利用合成生物學(xué)這一工具可以不同層面(酶、代謝途徑和基因組)地對微生物合成過程進(jìn)行設(shè)計、調(diào)控和優(yōu)化,因此,合成生物學(xué)可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、服裝、能源化工燃料、化妝品、環(huán)境保護(hù)和生物醫(yī)藥甚至軍事等領(lǐng)域。
農(nóng)業(yè):
合成生物學(xué)通過對植物基因定向設(shè)計,可以改變原有合成代謝通路,提高理想產(chǎn)物的產(chǎn)量,還可以通過植物微生物組工程從而減少肥料使用,做到綠色農(nóng)業(yè)。例如科學(xué)家們通過CRISPR / Cas9基因編輯技術(shù),編輯水稻從土壤吸收重金屬(鎘和砷)的基因,這些重金屬對人體和動植物均有毒害作用,通過基因改良使得水稻富含的鎘和砷元素降低,達(dá)到綠色農(nóng)業(yè)的目的。
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圖片來源:The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition
生物制藥:
合成生物學(xué)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于提高藥物產(chǎn)量、無細(xì)胞蛋白合成、發(fā)現(xiàn)新藥物以及開發(fā)新型基因療法等領(lǐng)域。
1、提高藥物產(chǎn)量:如Amyris公司通過設(shè)計構(gòu)建生產(chǎn)抗瘧藥物青蒿素的人工酵母細(xì)胞,成功使得100立方米工業(yè)發(fā)酵罐替代了5萬畝農(nóng)業(yè)種植的產(chǎn)能,大大降低了成本,提高產(chǎn)量。
2、利用無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)來完成診斷、疾病預(yù)防:
無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)(CFPS)就是以線性、質(zhì)粒DNA為模板,在細(xì)胞裂解液提供多種酶的作用下通過補(bǔ)充底物和能量物質(zhì)來實現(xiàn)蛋白質(zhì)的體外合成,是一種在試管內(nèi)就可以實現(xiàn)體內(nèi)全部生化反應(yīng)的生物分子系統(tǒng)。常用的CFPS組分一般由大腸桿菌裂解液、兔網(wǎng)織紅細(xì)胞裂解液、小麥胚芽提取物、酵母提取物組成。
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CFPS(以細(xì)胞裂解物、能源、核苷酸、氨基酸、鹽、輔酶、線性或質(zhì)粒 DNA 和水/緩沖液來維持反應(yīng))
圖片來源:Exploring the Potential of Cell-Free Protein Synthesis for Extending the Abilities of Biological Systems 
基于此哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院和多倫多大學(xué)的科研人員合作開發(fā)了這種新型的無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng),并且將CFPS組分制成凍干提取物,制備成便攜式微型藥物合成工廠。通過加入相應(yīng)的代謝模塊,即能生產(chǎn)出具有生物活性的抗菌肽、白喉菌苗、納米抗體和小分子藥物等,為疾病的預(yù)防、診斷以及個體化精準(zhǔn)治療提供了新的可能,同時也實現(xiàn)了按需生產(chǎn)和攜帶的方便性。
3、提供基因治療疾病的新療法:
我們知道疾病是源于先天基因問題或后天各種因素(環(huán)境、物理、化學(xué)等)引發(fā)的機(jī)體特定部位功能障礙,結(jié)合合成生物學(xué)的設(shè)計理念,先天性遺傳疾病即可采取修復(fù)重建機(jī)體功能的形式來實現(xiàn)治療目的。
基本思路:利用人工合成設(shè)計的原理,將具有致病基因置換或增補(bǔ)患者體內(nèi)有缺陷的基因或把某些遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到患者體內(nèi),從而合成構(gòu)建大量治療性基因回路,在載體的協(xié)助下最終植入人體,通過糾正機(jī)體缺陷的回路功能而最終實現(xiàn)疾病治療目的。又分為體內(nèi)治療和體外治療:
作用機(jī)制:
在體內(nèi)增補(bǔ)有缺陷的基因或健康基因替換致病基因
抑制或滅活致病基因
對基因進(jìn)行編輯“改正或修正”
例如,研究者發(fā)現(xiàn)使用CRISPR / Cas9技術(shù)可以用于治療鐮狀細(xì)胞性貧血和β地中海貧血等血液疾病以及遺傳性眼病,甚至其他基因疾病如脊髓性肌肉萎縮和亨廷頓舞蹈病等,也有望通過基因編輯療法治愈,這也吸引了一大批創(chuàng)新醫(yī)藥公司投入研發(fā);如國外的Bluebird Bio,還有國內(nèi)的博雅輯因等。但目前尚未有獲批上市的基因編輯療法藥物。
生物制造、化學(xué)品和材料:
以一家合成生物學(xué)公司Bolt Threads的人造蜘蛛絲產(chǎn)品為例來說明,Bolt Threads 公司利用通過將轉(zhuǎn)基因酵母,水和糖組合在一起,通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化成生絲(與糖轉(zhuǎn)化成酒精來釀造啤酒的過程類似)。并用這些人工合成蜘蛛絲制成領(lǐng)帶、帽子、衣物等織物成功銷售。與傳統(tǒng)紡織品制造工藝相比,人造蜘蛛絲的生產(chǎn)對環(huán)境的影響更小,并且在其使用壽命結(jié)束時,還具有生物降解的潛力,同樣實現(xiàn)了綠色制造。
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能源燃料和環(huán)境保護(hù):
有研究者對藻類和藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行人工基因組改造,改造后使得它們能進(jìn)行光合作用,并且產(chǎn)生大量成本低和綠色環(huán)保的生物燃料,這些生物燃料的理化性質(zhì)與石油來源的燃料十分接近。
食物和營養(yǎng):
APeel sciences公司利用合成生物學(xué)研究開發(fā)出一種生物涂料,可以使牛油果的保存期限超過原來的一倍;
Impossible Food公司利用畢氏酵母重組表達(dá)豆血紅蛋白用于改善人造牛肉風(fēng)味。使之品嘗起來如同真實的牛肉;
Perfect Day公司利用細(xì)胞工廠技術(shù),創(chuàng)建了能夠合成牛奶香味和營養(yǎng)成分的人工酵母,通過酵母細(xì)胞工廠發(fā)酵生產(chǎn)牛奶一樣的蛋白質(zhì)。
軍事:
此前提及的利用無細(xì)胞蛋白合成系統(tǒng)制備的微型藥物工廠因為方便攜帶,可以作為在部隊的隨身醫(yī)藥箱,可以按戰(zhàn)事需求生產(chǎn)特需藥物,應(yīng)用前景光明!
七、合成生物學(xué)市場大爆發(fā)
綜上所述,合成生物學(xué)的各種應(yīng)用影響著我們的生活點點滴滴,作為一項造福人類的生命科技革命,合成生物學(xué)的鋒芒漸露,資本和市場的敏銳嗅覺立馬捕捉到這一點,他們當(dāng)然不會放過合成生物學(xué)這一香餑餑,自此合成生物學(xué)迎來黃金發(fā)展期。
《福布斯》曾提出合成生物學(xué)將驅(qū)動高達(dá)4萬億美元的生物學(xué)經(jīng)濟(jì)的觀點;
根據(jù)工程生物產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)分析平臺 Engineering Biology Insights(EB Insights) 分析數(shù)據(jù)顯示, 2019 年全球合成生物學(xué)市場規(guī)模達(dá) 53 億美元。預(yù)計到 2024 年,與 2019 年相比,合成生物學(xué)市場規(guī)模的年復(fù)合增長率(CAGR)將增長 28.8%,達(dá)到 189 億美元。
據(jù)合成生物學(xué)行業(yè)組織Synbiobeta公布的2020年市場報告顯示,2009年-2020年間,合成生物學(xué)市場不斷增長,全球合成生物學(xué)領(lǐng)域累計共發(fā)生約400起融資事件,合成生物學(xué)市場正走向爆發(fā)期。
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2021年或?qū)⒊蔀楹铣缮飳W(xué)投資創(chuàng)紀(jì)錄的一年
2021年4月,Synbiobeta發(fā)布合成生物學(xué)2021年第一季度市場報告。報告顯示,僅2021年第一季度,合成生物學(xué)領(lǐng)域的投資高達(dá)66.08億美元,超過2009-2019年11年的總額,僅略低于2020年全年的投資,同比增長409%,2021年或?qū)⒊蔀楹铣缮飳W(xué)投資創(chuàng)紀(jì)錄的一年,預(yù)計2021年投資可高達(dá)360億美元。
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爆發(fā)原因
這是多方因素聯(lián)合作用的結(jié)果。
首先,合成生物學(xué)作為一種工具,應(yīng)用范圍廣泛,涉及日常生活的方方面面,各行各業(yè)都瞄準(zhǔn)了這一巨大的市場空間。大量人力物力財力紛紛涌入,自然水漲船高,引起市場大爆發(fā)!
其次,各種新興技術(shù)不斷高質(zhì)量飛速發(fā)展,使得合成生物學(xué)的大爆發(fā)成為必然。2020年CRISPR-CAS9基因編輯技術(shù)獲得諾貝爾化學(xué)獎,該技術(shù)可以實現(xiàn)對多個基因進(jìn)行編輯,較之前的基因編輯技術(shù)有著簡單易行、周期短、效率高等顯著優(yōu)點,還有下一代高通量測序技術(shù)、酶促 DNA 合成技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展都無形之中引爆了合成生物學(xué)!
八、國內(nèi)外不斷涌入的合成生物學(xué)玩家
下面分類簡要列舉一下各類型的代表公司
主要分為三類:
一、生物體設(shè)計與自動化平臺型公司:
平臺型公司主要通過構(gòu)建合成生物學(xué)底層的軟件、以及硬件解決綜合方案(提供 DNA 合成、微生物設(shè)計和基因編輯等)。作為支持合成生物學(xué)發(fā)展的底層力量,該品類的公司既掌握著底層的技術(shù),又可將公司的業(yè)務(wù)拓展至應(yīng)用層,最典型的就是Amyris。
主要有:Ginkgo Bioworks 、Zymergen 、Amyris、Arazeda、GEEN、Biomillenia、INSCRIPTA、Scarab Genomics、enEvolv、New England BioLabs、Codexis、DowDuPont、Novozymes、Synthetic Genomics、恩和生物Bota Biosciences 等。
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二、提供使能技術(shù)型公司:
簡而言之,就是提供DNA/RNA合成、高通量測序、基因編輯等技術(shù)服務(wù)的公司,以Illumina為代表。
主要有:DNA Script、CRISPR Therapeutics、Illumina 、Synthego、Thermo Fisher Scientific、Atum(DNA2.0)、Blue Heron Biotech(Eurofins)、Integrated DNA Technologies、Cellectis、Editas Medicine、Intellia Therapeutics 、 Sangamo BioSciences 、迪贏生物和泓訊科技等
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三、產(chǎn)品層應(yīng)用公司(醫(yī)藥,工業(yè)化學(xué)品、生物燃料,農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域產(chǎn)品):
主要有:Moderna Therapeutics、Precigen、Prokarium、Elevate Bio、紐福斯、Sana Biotechnology 、AavantiBio、合生基因、博雅輯因等。
生物醫(yī)藥領(lǐng)域代表公司:
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還有一些涉及多領(lǐng)域產(chǎn)品的合成生物學(xué)公司:
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九、結(jié)語
合成生物學(xué)作為一種工具,策略或方法,有著巨大的社會效益及經(jīng)濟(jì)價值,并且應(yīng)用范圍極其廣泛,涉及包括能源、環(huán)境、化工、材料、醫(yī)藥等多種領(lǐng)域,未來潛力巨大,可以按人類需求自由設(shè)計合成一切,我們可以定向地人工合成微生物、通過合成的微生物來大量生產(chǎn)廉價高效的藥物、來制造清潔并可持續(xù)的生物能源…未來瘋狂而美好!
十、參考文獻(xiàn):
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https:///synthetic-biology-investment-set-a-nearly-8-billion-record-in-2020-what-does-this-mean-for-2021/
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http://www./review-of-trend-in-synthetic-biology/
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