重大颠覆性技术方向——合成生物学技术

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来源：颠覆性创新

作者：医药卫生课题组

1、合成生物学技术概述

合成生物学是一门多学科交叉的新兴领域，这一技术的出现，为改造生物体提供了更大的可能。该技术以系统生物学知识为基础，融入工程学的模块化概念和系统设计理论，综合利用化学、信息科学、物理、生物科学等知识和技术，能够指导化学品合成长的DNA片段，改进遗传进程，设计遗传途径，实现对生物系统的精确的控制。

合成生物学（synthetic biology）真正的起源可以追溯到1961年，Monod和Jacob提出细胞中存在调节通路使其得以对复杂环境变化产生响应。20世纪90年代，“组学” （omics）时代到来，人类基因组计划及此后兴起的一系列生命“组学”，从根本上提供了生物体和生命运动的“蓝图”乃至“程序”。在合成基因组方面，2002年，人类首次合成病毒。2010年，美国Craig Venter的实验室首次成功合成人工生命体，该实验的成功使“合成生物学”成为一个热门的名词。

2、合成生物学现状

（1）合成生物学技术发展态势迅猛

2000年以来，在Drew Andy,Jay D.Keasling，James J. Collins 等多人推动下，合成生物学在生物元件标准化及生物模块的设计和构建方面取得了很大进展，标准化生物元器件库被建立，控制转录、翻译、蛋白调控、信号识别等各个生命活动的遗传电路也相继被开发，并有望在实际应用中发挥重要作用。另一方面，J. Craig Venter研究所（J. Craig Venter Institute, JCVI）于1995年开始的最小基因组及合成基因组学研究也于近期取得了突破性进展。

近年来，合成生物学的发展迅猛。DNA操作方面，建立了基于内切酶的拼接、位点特异性重组、基于重叠序列的拼接以及体内DNA拼接的方法对DNA进行组装；从头合成DNA技术；开发基因组编辑工具，包括CRISPR/Cas9基因编辑系统以及高通量基因组工程等。目前，生物合成学在化学品、医药、能源、环境、农业等领域的大规模应用，对日常生活和社会的各个方面产生了巨大影响。

（2）全球资金投入增加

合成生物学对人类社会在医药、农业、能源等领域带来重要影响，在生物技术领域具有巨大的应用潜力，引起世界各国/地区的广泛关注。欧盟、美国先后制定了合成生物学发展战略及规划，并投入大量资金支持合成生物学相关研究，并相继成立合成生物学研究机构。

至2017年5月，欧盟资助的合成生物学研究项目共282项，经费累计达5.6亿欧元，美国Federal REPOTER平台公布的政府对合成生物学的研究经费支持约4.5亿美元，虽然私营部门也积极参与合成生物学的研发，但这一领域主要还是政府投入大量资金，且经费逐年增加。

3、合成生物学技术对未来生物医药产业的影响

合成生物学涉及产业界多个方面、多种应用领域，美国国防部在2013~2017年科技发展“五年计划”中将合成生物学列入未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域之一，认为合成生物学在军用药物快速合成、生物病毒战、基因改良、人体损伤快速修复等方面具有颠覆性应用前景。美国和英国政府对合成生物学研究的资助力度较大。

合成生物学在医药领域已有应用，包括开发人工减毒或者无毒活疫苗、合成噬菌体设计进行噬菌体治疗、工程化微生物量产小分子化合物、开发新型药物传递系统等。美国伍德罗威尔逊国际学者中心科技创新计划中的合成生物学项目列表中处于研发阶段的药物多数处于临床前阶段，仅用于糖尿病肾病治疗的SER-150-DN处于临床Ⅱ期。除了基于合成生物学新药研发之外，通过合成生物学相关技术手段在医药化工领域中可实现大规模生物转化合成也是研究的热点之一。从世界范围内看，我国在合成生物学研究向医药领域转化应用方面还有待提高。

4、合成生物学在我国的发展及趋势

（1）资助力度持续加大

我国国家自然科学基金委员会对合成生物学领域的资助始于2007年，至2016年已资助合成生物学相关项目121项，共计经费1.2亿元。在面上项目和创新研究群体项目中，均已投入3000～4000万元的资助。重点项目和国际（地区）合作与交流项目资助金额均已超过1000万元。

在973项目和863项目的支持下，主要开展的研究涉及微生物制造、肿瘤治疗和植物改造等。这些项目目前都取得了显著进展，达到国际领先或首创水平，完成产业转型变革。

（2）论文与专利发表数量日益增加

我国合成生物学论文的迅速增长期始于2010年，主要源于973和863等重大研究计划从2010年开始相继支持合成生物学研究。同时以“合成生物学”为主题的首届“中德前沿探索圆桌会议”2010年在中国科学院上海生命科学研究院开幕，标志着中国的合成生物学研究开始步入国际轨道。

在国家知识产权局的专利检索平台通过检索、人工判读的方式获得在我国国家知识产权局申请的合成生物学相关专利963件，1987年国家知识产权局开始有受理合成生物学专利申请，之后专利申请数量缓慢增长，直至2013年，专利申请数量达到峰值114件

（3）研究成果形成突破性进展

目前我国科学家已人工合成16条真核生物酿酒酵母染色体中的4条，占国际已完成数量的66.7%。这意味着我国已经成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家，这不仅使我国在该领域形成了一系列人工合成的突破性技术和成果，也使我国进入了国际合成生物技术领域的第一梯队，由“跟跑”阶段进入“并跑”阶段。

5、技术研发安全风险与伦理问题

合成生物学可能存在的生物安全风险主要包括：一是天然和合成生物在生理学上的差异会影响它们与周边环境的相互作用，可能会导致有毒物质或其他有害代谢物的产生，对其他生物和生态环境的安全性产生潜在威胁。二是逃逸到自然环境中的微生物，通常具有普通生物体所不具有的生存优势，能在自然环境中无限增殖从而对栖息地的生态环境、食物链或生物多样性产生巨大威胁。三是合成生物可能会快速进化和适应环境，填补新的生态位。必须要明确合成微生物及其遗传物质进化的速率，以确定生物体是否会在自然环境中长期存留、传播或者改变习性。四是合成微生物的基因转移。微生物具有与其他生物交换遗传物质或从环境中摄取免费DNA的能力，人工改造导入抗生素抵抗基因的细菌，若被释放到环境中，易使致病菌具有抵抗抗生素的能力，给细菌感染的治疗造成很大的困难。五是合成生物还有可能被用于制造新的生物武器。

关于合成生物学伦理方面的争议主要涉及制造生命有机体的正当性问题。有关合成生物学的伦理争议大多集中于两个角度：一是合成生物学家人工制造自然界中不存在的生命，违背了上帝有关生命法则的旨意以及顺应自然发展规律的伦理；二是合成生物学家人工合成生命违背了尊重生命的伦理原则。

6、合成生物学技术发展的环境和条件

从基础研究到产品研发的全链条创新布局

我国在合成生物学的基础研究方面取得重要突破，但合成生物学产品研发能力仍有待提高。不同于国际上大型生物医药公司作为专利和产品的研发主体，我国在该领域技术研究主要由高校和科研院所完成，医药企业投入力度不足，一定程度上造成了基础研究和产品研发之间的脱节。建议在关注实验室研究的同时，鼓励医药企业加大科研投资力度，促进科研成果向医药产品的转化。

完善的基础研究与产品研发监管体系

科学进展往往快于政策制定，同时合成生物学的界限也在不断变化，因此应关注与合成生物学治理和监管相关的问题，建议政府尽快推动制定合成生物学实验安全技术导则，梳理和完善已有的法律法规。针对合成生物的安全性建立健全的、规范的技术指南和国家层面的安全法规以及监管体系，建立从宏观政策到法律法规和标准规范的全面管理体系，从研究与应用两方面加强对合成生物学技术的监管。

健全的风险评估制度与科学家自律机制

提倡建立政府监管下的合成生物学家自律机制，鼓励成立相关的行业协会或科学家组织，订立规则和标准进行风险评估。对于任何合成生物相关的基础研究和产品研发必须满足规定的安全要求和遵守严格的安全程序。建议设立合成生物安全性评估机构，建立完善系统的评估制度，引导社会认识合成生物的两面性。

促进合成生物学技术包容性发展的良好环境

合成生物学是交叉性学科，既产生于多个学科，又回馈于这些学科。持续包容对于合成生物学的持续发展十分重要。一方面，建议与产业界、监管和政策制定机构交流合作，使技术推动与市场拉动相结合。另一方面，建议引导更多的公众参与合成生物学对话，了解其可能存在的内在风险，讨论有关的生物安全和伦理问题。

7、合成生物学技术未来发展预测

以基因组设计合成为标志的合成生物学是继“DNA双螺旋发现”和“人类基因组测序计划”之后，即将引发的第三次生物技术科技革命。作为引领生物技术产业化发展的颠覆性技术，合成生物技术将对我国经济社会发展产生重大影响，同时也是我国面向世界科技前沿、占领新兴产业制高点的战略选择。

未来，随着各元件、模块标准化原则的明确，与之配套的设计方法的建立，操作简易的合成生物学系统设计的出现，大片段DNA合成的通量提高、成本降低，加之自动化实验平台的成熟，合成生物学有望形成一套从电脑辅助设计基因回路，到各元件、模块的合成与拼接，到实验验证基因回路功能，到实验数据拟合数学模型并对各元件、模块的参数进行调整，再到基因回路的进一步优化，这样一个标准化流程。

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