【专刊】合成生物学：回顾与展望丨《中国科学院院刊》2018年第11期发布

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进入 21 世纪以来，全球科技创新进入空前密集活跃的时期，新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。2018 年，习近平总书记在两院院士大会上指出，以合成生物学、基因编辑、脑科学、再生医学等为代表的生命科学领域孕育新的变革。这些原创突破为前沿技术、颠覆性技术提供了更多创新源泉，科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运，从来没有像今天这样深刻影响着人民生活福祉。

生命过程极其复杂，人类一直致力于认识生命的机制，实现人工设计和改造具体的生命过程，以期更好地为工农业、环境保护和医疗健康服务。合成生物学以工程化设计理念，对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成，其产生和快速发展，是人类对生命现象系统认知和深刻探索之后的必然结果。合成生物学的崛起，突破了生物学以发现描述与定性分析为主的“格物致知”的传统研究范式，为生命科学提供了“建物致知”的崭新研究思想，开启了可定量、可计算、可预测及工程化的“会聚”研究新时代。不仅将人类对于生命的认识和改造能力提升到了一个全新的层次，也为解决人类社会相关的全球性重大问题提供了重要途径。

在此背景下，《中国科学院院刊》与中国科学院科技促进发展局共同策划组织了本期“合成生物学：回顾与展望”专刊，并得到了前沿科学与教育局、重大科技任务局的大力支持。针对合成生物学的关键技术、主要应用领域、平台建设，以及政策与社会问题等方面，先后 3 次研讨，从专刊的定位、内容框架的构成、作者的遴选与邀请以及文章的撰写等方面均进行了细致的讨论。尤其是中国科学院上海生命科学研究院研究员赵国屏院士，本刊编委、中国科学院天津工业生物技术研究所所长马延和研究员与中国科学院生物物理研究所张先恩研究员，在专刊形成过程中，对专刊的定位、内容给予了悉心指导。本期特约编辑中国科学院科技促进发展局曾艳副研究员和前沿科学与教育局王力为副研究员，为专刊的形成做了大量的协调工作。所有参与撰文的科学家在反复“痛苦”的修改后终于呈现该领域的进展和展望，以期为生物产业创新发展与经济绿色增长等提供科学支撑。

在专刊出版之际，向所有参与该专刊策划、指导、撰写的科学家及中国科学院业务局的管理人员表示最诚挚的感谢！

2018年第11期

 专刊：合成生物学：回顾与展望

张先恩

张先恩   中国科学院生物物理所研究员，1993年在中国科学院武汉病毒研究所晋升研究员，纳米生物学与生物传感专家，加拿大阿尔伯达大学荣誉科学博士，英国皇家化学学会会士，亚太经合组织（APEC）首席科学顾问组织（CSAE）中国代表，国家重点基础研究计划（973）专家顾问组副组长。中国生物工程学会副理事长，中国生物技术发展中心专家组成员，国家医疗器械标准委员会临床检验专业组委员。曾任科技部基础研究司司长，从事国家基础研究宏观管理。

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 总论

合成生物学:开启生命科学“会聚”研究新时代

赵国屏

赵国屏   中国科学院院士，分子微生物学家。现任中国科学院上海生命科学研究院生物医学大数据中心首席科学家，中国科学院合成生物学重点实验室专家委员会主任，复旦大学生命科学学院微生物学和微生物工程系主任。兼任中国生物工程学会理事，上海生物工程学会名誉理事长，浦东新区科协副主席；曾任中国微生物学会理事长、名誉理事长。1983年起，从事细菌分子遗传及生理生化研究，特别关注微生物代谢调控及酶反应机理与结构功能关系，开发相应的微生物和蛋白质工程生物技术。1998年起，参与启动并组织中国基因组学、生物信息学、蛋白质组学、转录组学与生物芯片研究，克隆若干人类遗传病致病基因；启动中国微生物基因组测序工作并主持若干重要微生物的基因组、功能基因组、比较和进化基因组的研究，完成对问号钩端螺旋体、野菊花假单胞菌的全基因组测序和注释。2003年主持SARS分子流行病学和SARS冠状病毒进化研究，为认识该病毒的动物源性及其从动物间传播到人间传播过程中基因组、特别是关键基因的变异规律奠定了基础。此后，在细菌蛋白质乙酰化组和肠道微生物组等领域努力探索，做出若干开创性工作。2008年，创建中国科学院合成生物学重点实验室；2012年，主持“973”项目“新功能人造生物器件的构建及集成”。领导实验室在人工染色体重构，代谢组与代谢流量组平台建设，天然化合物细胞工厂制造，基因编辑技术研发等方向上，实现重要突破。1992年回国以来，参与组建和/或领导若干生物技术企业、中国科学院研究院所、国家及上海科技或工程研究中心，不断探索科技体系运行模式与科研机构体制机制的改革创新。2005年，获何梁何利科技奖，当选中国科学院院士。2011年，当选发展中国家科学院院士。2014年，获美国普度大学农学院荣誉博士称号。2015年，获第八届“谈家桢生命科学奖”。

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 关键技术

符合工程化需求的生物元件设计

崔颖璐  吴边

崔颖璐   中国科学院微生物研究所助理研究员，博士。2015年毕业于吉林大学，曾获得“博士研究生国家奖学金”“唐敖庆化学奖学金”等荣誉。主要研究方向为新型工业酶的计算改 造设计。发表SCI期刊论文20余篇，主持国家自然科学基金青年基金项目以及中国博士后科学 基金面上项目。

吴边   中国科学院微生物研究所“百人计划”研究员，博士生导师，微生物资源前期开发国家重点实验室副主任，获国家自然科学基金委“优青”项目资助。担任中国生物发酵产业协会理事，中国微生物学会酶工程专业委员会委员。致力于新型工业酶的发掘、工程改造设计 与催化应用，近年来主要从事微生物酶计算机设计方面的工作。长期与工业界密切合作，曾参与德国巴斯夫（BASF）、荷兰皇家帝斯曼集团 （DSM）等跨国化工企业的工业酶项目开发，与国内多家企业开展了联合研发工作，目前已经有多项技术实现商业转化与产业应用。

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人工基因线路的研究进展和未来挑战

娄春波  杜沛  孟凡康  季翔宇  张益豪

娄春波   中国科学院微生物研究所研究员，博士。中组部“青年千人”计划入选者，国家自然科学基金委优秀青年科学基金获得者。2003 年和 2009 年分别毕业于武汉大学物理学专业和北京大学软凝聚态物理专业；2009—2013 年先后在美国加州大学旧金山分校和麻省理工学院从事博士后研究。目前研究领域包括调控元件的模块化与正交化设计；基因线路的定量设计与微生物发酵智能开关设计；20—100 kb 天然产物基因簇激活与优化；人工生命系统的安全性和可控性设计。主要成果发表在 Nature Biotechnology、Nature、PNAS、Nature Communications 和Molecular Systems Biology 等学术期刊，已申请国际专利 3 项、国内专利 5 项。

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面向生物合成的代谢工程策略设计

马红武  陈修来  袁倩倩  刘立明  孙际宾

马红武    中国科学院天津工业生物技术研究所“百人计划”研究员。2001年在天津大学获得生物化工博士学位。2001—2011年先后在德国和英国从事研究工作。主要研究方向为大规模生物网络的计算分析与设计及相关计算方法工具的开发。在Bioinformatics、Molecular SystemsBiology 等刊物上发表学术论文30余篇，SCI引用千余次，2014年获汤森路透高被引科学家奖。

刘立明    江南大学食品科学与技术国家重点实验室教授。2006年获江南大学发酵工程专业工学博士学位。2009—2010年于瑞典查尔姆斯理工大学从事博士后研究工作，研究方向为系统生物学。主要从事系统生物学、代谢工程和酶工程方面的研究。已获得“万人计划”科技创 新领军人才和国家自然科学基金支持。

孙际宾  中国科学院天津工业生物技术研究所研究员，中国科学院“百人计划”入选者，中国科学院特聘研究员。2004年从German Research Centre for Biotechnology/Technical University of Braunschweig获得博士学位。2008年到中国科学院天津工业生物技术研究所工作。研究方向为工业微生物的系统与合成生物技术。

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DNA的合成、组装及转移技术

卢俊南  罗周卿  姜双英  沈玥  吴毅  杨焕明  元英进

戴俊彪

卢俊南  中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成基因组学研究中心从事博士后研究工作，博士。2012年本科毕业于华南农业大学食品学院生物工程系，2018年博士毕业于中国科学院广州生物医药与健康研究院。主要研究方向为胞内寄生病原体转染及基因编辑技术开发，大型合成染色体的分离纯化及转移技术开发。其利用疟原虫缺乏有效非同源末端修复机制的特性，成功构建基于“自杀-拯救”原理的CRISPR/Cas9技术用于恶性疟原虫无痕基因编辑，该策略目前为诸多疟疾研究实验室采用。

戴俊彪  中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成基因组学研究中心主任，深圳市合成基因组学重点实验室主任，研究员，博士。1997年本科毕业于南京大学基础学科教学强化部，2006年于美国爱荷华州立大学获得分子、细胞及发育生物学专业博士学位。主要从事合成生物学研究，是国际合成酵母基因组计划（Sc2.0）的主要成员。已在 Science、Cell、Nature 等刊物上发表学术论文40多篇，申请/授权专利8项。2011年获得美国约翰霍普金斯大学医学院颁发的Albert Lehninger研究奖，同年入选中组部首批“青年千人计划”。2017年获得国家杰出青年科学基金。

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基因编辑技术:进展与挑战

卢俊南  褚鑫  潘燕平  陈映羲  温栾  戴俊彪

卢俊南  中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成基因组学研究中心从事博士后研究工作，博士。2012年本科毕业于华南农业大学食品学院生物工程系，2018年博士毕业于中国科学院广州生物医药与健康研究院。主要研究方向为胞内寄生病原体转染及基因编辑技术开发，大型合成染色体的分离纯化及转移技术开发。其利用疟原虫缺乏有效非同源末端修复机制的特性，成功构建基于“自杀-拯救”原理的CRISPR/Cas9技术用于恶性疟原虫无痕基因编辑，该策略目前为诸多疟疾研究实验室采用。

戴俊彪  中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所合成基因组学研究中心主任，深圳市合成基因组学重点实验室主任，研究员，博士。1997年本科毕业于南京大学基础学科教学强化部，2006年于美国爱荷华州立大学获得分子、细胞及发育生物学专业博士学位。主要从事合成生物学研究，是国际合成酵母基因组计划（Sc2.0）的主要成员。已在 Science、Cell、Nature 等刊物上发表学术论文40多篇，申请/授权专利8项。2011年获得美国约翰霍普金斯大学医学院颁发的Albert Lehninger研究奖，同年入选中组部首批“青年千人计划”。2017年获得国家杰出青年科学基金。

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人工细胞的表型测试与分选:构建从光谱学到遗传学的桥梁

马波  徐健

马波   中国科学院青岛生物能源与过程所单细胞中心微流控系统团队负责人，研究员。2008 年在中国科学院大连化学物理研究所微流控芯片实验室获分析化学专业博士学位。2008年5月—2012年7月先后在美国加州大学洛杉矶分校 Crump 分子成像研究所和莱斯大学等研究机构从事博士后研究。2012 年加入中国科学院青岛生物能源与过程研究所。自 2003 年起致力于微流控芯片技术在分析化学和生命科学中的基础和应用研究。目前研究方向聚焦在：基于微流控高通量单细胞分析技术和仪器研究，以及工业酶、菌株和微藻的高通量筛选、选育和定向进化等。

徐健   中国科学院青岛生物能源与过程研究所单细胞中心功能基因组团队负责人、单细胞中心主任，研究员。2003 年获美国圣路易斯华盛顿大学计算机硕士和生物化学博士，2004—2008 年任华盛顿大学基因组研究院基因组拼装与分析团队负责人，2008 年全职加入中国科学院青岛生物能源与过程研究所。主要通过开发工业微藻合成生物技术、拉曼组技术、微生物组数据科学工具、单细胞分析仪器系列等，服务于光合生物燃料、微生态健康、海洋监测、生物安全等应用领域。发表论文 100余篇，被引用近8000次。任mSystems 高级编辑等。

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基因组的设计与工程化构建

薛小莉  覃重军

薛小莉   中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所合成生物学重点实验室副研究员。2005年于广州中山大学获得理学学士学位，2007年于广州中山大学获得理学硕士学位。2011年于德国亥姆霍兹感染研究中心/德国不伦瑞克科技大学博士学位。主要研究方向为合成生物学，特别是模式生物酿酒酵母与大肠杆菌的基因组人工设计与重构。

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 应用领域

合成生物学工业应用的现状和展望

曾艳  赵心刚  周桔

曾艳   中国科学院科技促进发展局生物技术处副研究员，工业生物催化专业博士。主要从事生物技术领域科研管理及成果转化等工作。

周桔   中国科学院科技促进发展局生物技术处处长，生物化学专业博士。主要从事生物技术领域科研管理及成果转化等工作。

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合成生物学的医学应用研究进展

崔金明  王力为  常志广  臧中盛  刘陈立

崔金明  中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，中国科学院青年创新促进会会员。美国普渡大学获生物化学博士学位，美国约翰 · 霍普金斯大学医学院从事博士后研究。研究领域为膜蛋白元件的定向进化、应用微生物学，以及合成生物学科发展政策与伦理研究。作为项目负责人，主持国家级基金2项，地方基金4项。

刘陈立   中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所所长、研究员，定量合成生物学中心主任。主要研究方向为合成生物基因线路探索生物学的基本原理、肿瘤治疗和定向进化方法开发。牵头筹建“深圳合成生物研究重大科技基础设施”。入选中组部“青年千人计划”、中国科学院“百人计划”。荣获2012年度“香港青年科学家奖”和“李嘉诚奖”、2017年度中源协和生命医学奖创新突破奖。担任 ACS Synthetic Biology 编委、中国生物工程学会合成生物学专业委员会副主任兼秘书长、深圳合成生物学协会会长等。

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植物天然产物合成生物学研究

戴住波  王勇   周志华  李盛英  张学礼

戴住波   中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员，中国科学院青年促进会会员。主要从事分子生药学和合成生物学等前沿交叉学科研究，以“人参酵母”和“精油酵母”等系列人工细胞工厂创建为研究案例，初步建立了以高效微生物细胞工厂为基础的天然药物和营养品绿色生产模式。研究成果发表在Biotechnology and Bioengineering、Metabolic Engineering等学术期上，申请专利12项（含PCT 1项），获中国药学会科学技术奖一等奖1项。 

张学礼   中国科学院天津工业生物技术研究所研究员，中国科学院系统微生物工程重点实验室主任。国家“万人计划”领军人才，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，中国科学院“百人计划”专家。主要研究方向为应用微生物代谢工程及合成生物学技术构建高效微生物细胞工厂、生产大宗化学品和植物天然产物。成功构建了生产L-丙氨酸、丁二酸、D-乳酸、番茄红素、β-榄香烯等化学品的高效微生物细胞工厂。发表SCI论文50余篇，被引1600余次。获授权国外专利11项和中国专利13项。获中国专利优秀奖1项、安徽省科技进步奖二等奖1项、中国石油和化工联合会科技进步奖二等奖1项。

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光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略

朱新广  熊燕  阮梅花  刘晓  徐健  钟超

朱新广  中国科学院植物生理生态研究所植物分子遗传国家重点实验室研究员，博士。由于发现提高光合效率的新途径，2013年被国际光合作用协会授予“Melvin Calvin - Andrew Benson Award”。曾任 Global Change Biology Bioenergy 编委；现任 Plant Cell and Environment、Frontiers in Plant Physiology、Royal Society Open Science和 Frontiers in Plant Systems Biology编委；创立的 in silico Plants杂志是 F1000Prime 的成员。目前已发表文章110篇，被引用7 600次以上。

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 平台建设

合成生物学研究的工程化平台

崔金明  张炳照  马迎飞  傅雄飞  王猛  刘陈立

崔金明  中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，中国科学院青年创新促进会会员。美国普渡大学获生物化学博士学位，美国约翰 · 霍普金斯大学医学院从事博士后研究。研究领域为膜蛋白元件的定向进化、应用微生物学，以及合成生物学科发展政策与伦理研究。作为项目负责人，主持国家级基金2项，地方基金4项。

刘陈立   中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所所长、研究员，定量合成生物学中心主任。主要研究方向为合成生物基因线路探索生物学的基本原理、肿瘤治疗和定向进化方法开发。牵头筹建“深圳合成生物研究重大科技基础设施”。入选中组部“青年千人计划”、中国科学院“百人计划”。荣获2012年度“香港青年科学家奖”和“李嘉诚奖”、2017年度中源协和生命医学奖创新突破奖。担任 ACS Synthetic Biology 编委、中国生物工程学会合成生物学专业委员会副主任兼秘书长、深圳合成生物学协会会长等。

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中国科学院合成生物学重点实验室

中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所

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 政策与社会问题

创新政策体系 保障合成生物学科技与产业发展

刘晓   曾艳  王力为  周光明  熊燕

刘晓    中国科学院上海生命科学信息中心馆员。主要从事生命科学相关领域情报研究。曾参与国家自然科学基金委、中国科学院、上海市科委等多项战略研究和软科学研究项目。 

熊燕    中国科学院上海生命科学信息中心战略情报研究部主任，研究员。主要从事生命科学与健康领域的战略情报及决策咨询研究，重点关注合成生物学、脑科学、营养科学等领域， 主要开展相关领域的科技政策、学科前沿、技术预见，以及生命伦理、生物安全等方面的研究。

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设计生命:合成生物学的安全风险与伦理挑战

李真真  董永亮  高旖蔚 

李真真   中国科学院科技战略咨询研究院研究员，博士生导师。中国科学院学部科学规范与伦理研究支撑中心执行主任，《科学与社会》常务副主编，中国科学学与科技政策研究会常务理事、科学社会学专业委员会主任委员，中国社会学会科学社会学专业委员会副理事长，中华人民共和国国史研究会当代科技史分会会长。主要研究领域：科学的社会研究、科技伦理、科技政策与管理。

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一周科学看点回顾

总监制：杨柳春

责任编辑：张帆

助理编辑、校对：PAN

排版：三羊

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