Nature Communications | 在实验室外进行合成生物学的应用，挑战和需求！
合成生物学为解决全球需求带来了巨大的希望。但是，大多数当前的进展并不能立即转化为不同于受控实验室环境的“实验室外”方案。面临的挑战包括实现长期存储稳定性以及在资源有限和离网的情况下使用自主功能进行操作。
近日，国际权威学术期刊Nature Communications发表了美国德克萨斯大学奥斯汀分校Hal S. Alper团队的最新相关研究成果，题为Applications, challenges, and needs for employing synthetic biology beyond the lab的观点性综述论文。在这篇文章中，科研人员分析了针对实验室外场景开发合成生物平台的最新进展，重点关注三个主要应用领域：生物生产、生物传感以及闭环治疗和益生菌输送（深度解读：如何操控植物微生物组改善农业？Nature Reviews Microbiology | 专家点评：作物微生物组与可持续农业；Trends in Biotechnology | 微生物组工程：可持续农业中的植物微生物合成生物学）。在整个综述中，科研人员重点介绍了最新进展，需要进一步发展的领域，未来应用的可能性以及在其他学科的交界处对创新的需求。
合成生物学及其应用为解决全球人道主义需求带来了巨大的希望，包括可持续发展、零饥饿、健康和福祉、减少不平等以及改善对负责任生产的产品和服务的获取等目标。近年来的进展表明，合成生物学有潜力在不同的应用中彻底改变技术，包括生物计算、生物材料、电子接口、治疗性基因组编辑、多重诊断、细胞记录、第三代生物炼制和生物治疗。也许合成生物学最直接被认可和最先进的应用是改变新陈代谢以生产高价值产品的能力，这些产品的应用范围从生物燃料和植物天然产品到聚合物前体和生物启发性材料。在这方面，将微生物转化为与有机化学合成相竞争的化学工厂的能力正在开创一个生物制造的新时代。
尽管取得了这些巨大的进步，但大多数当前的发展并不能立即转化为“实验室外”的应用空间，与实验室环境中可控的条件相比，该应用空间非常多样且变化多端。一般认为实验室外场景在可用资源方面包含三个主要设置：（1）资源可获取的，（2）资源受限，（3）离网的。资源可利用的环境包括这样的情况，即在部署技术的过程中，基本上无限制地获取资源和经验丰富的人员。在这种情况下（大规模工业生物技术设置就是一个很好的例子），通常需要对实验室规模的结果进行技术转移，然后是迭代过程优化/扩大规模和生物重新设计周期。但是，由于遗传稳定性、经济性、可行性和其他技术挑战在内的许多因素，成功的部署（即使在这些资源最易获得的条件下）也不能保证。包括以技术部署在更偏远的环境中为标志的情景，其中包括对资源和专业知识获取的受限（但非零），例如，非军事性和太空任务。最极端的条件是离网环境，包括极少或几乎无法获取资源、电力、通信基础设施和专业知识的情况，例如在地球上偏远地区甚至在肠道微生物组内的部署。这些应用要求已部署的技术能够在没有外部资源或干预的情况下自主运行。
相对于在资源可获取的环境中通常需要的（相对简单的）技术转移和扩大规模的考虑，资源有限和离网的环境需要新的合成生物学范式来成功部署。这些应用中固有的苛刻要求包括需要高度的系统灵活性、长期存储能力、间歇性/重复使用，以及在有限的设备和干预下操作的能力。在主要的实验室外环境中部署基于合成生物学的技术所面临的许多主要挑战和技术要求（特别强调空间任务、发展中国家、军事任务和农业环境），如图1所示。为了取得成功，实验室外平台应在可变的储存条件下长期保持基因和功能的稳定，需要最少的设备和资源来运行，并且需要经验丰富的专业人员进行最少的干预。在这方面，合成生物学正经历着从利用生物学到应用生物学的模式转变。
基于细胞和无细胞系统的方法在实验室外部署方面都具有相关的优势和挑战。例如，虽然全细胞平台通常更容易大规模生产以及整合多个复杂的检测或反应，但也存在着长期稳定性、被分析物或反应成分的毒性以及由于需要细胞生长和营养物质运输而造成的时间延迟等挑战。无细胞平台可以解决许多这些相关的挑战，因为他们绕过了需要有活力的细胞（因此可以用来检测或产生通常对细胞有毒的化合物）。开放式反应环境的这一特点有利于操纵代谢、转录和翻译，例如通过外源性添加非天然底物。消除维持生命的要求，也使人们有能力将系统的资源利用率仅集中在感兴趣的产品或反应上。然而，在无细胞蛋白质合成产量的背景下，整个学术实验室已证明了批次间的显着差异。此外，无细胞反应持续时间短（通常约数小时），试剂成本高（特别是对于能源和核苷酸），以及难以折叠复杂的蛋白质产物，这些都限制了无细胞的应用空间平台目前可行。
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