这篇文章把「合成生物学」讲透了！值得收藏慢慢看！

导读：从人造蛋、人造合成牛奶、人造牛肉、人造蜘蛛丝、甚至是人造生命；合成生物学给我们带来太多惊喜和希望，不断发展的合成生物学给未来带给更大的可能！

本文从合成生物学的历史，定义，原理，技术及实际应用和市场上的玩家分类进行简要的论述，由于个人水平有限，如有错误，烦请指正。

一、合成生物学的历史

翻阅历史的书籍，我们发现“合成生物学”这个词第一次出现，是在法国物理化学家Stephane Leduc于1911年发表的《生命的机理》(The Mechanism of Life) 一书中，但是由于时代认知的局限，那时候的合成生物学定义和现在的大相径庭。真正有合成生物学这一专业术语含义的是1980年德国科学家芭芭拉·荷本Hobom B首次用这个词来解释基因工程菌。

而《生物合成学》成为了一门真正的学科则是基于2000 年E. Kool 对合成生物学的重新定义，他将《合成生物学》定义为基于系统生物学的遗传工程学。

时间来到了2010年5月20日，美国Science杂志报道生物学家克雷格·文特尔J·Craig Venter的研究小组制造出了世界上首个人造生命“辛西娅（synthia）”，此消息一出，立马引起了全世界的关注。

我们常说21世纪是生物的世纪，合成生物学也在这个时代下蓬勃发展走向美好未来！

二、到底什么是合成生物学？

从定义上讲，合成生物学（synthetic biology）是指在工程学思想指导下，对生物体进行有目标的设计、 改造、甚至创建赋予非自然功能的“人造生命”，即生物学的工程化。合成生物学是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程学等多学科交叉的产物。

图表来源：合成生物学发展现状与前景

三、合成生物学原理

具体来讲，合成生物学以工程化的策略为指导思想，以DNA合成技术为基础。有目的地设计合成标准化的生物元件（具有特定功能的氨基酸/或者核苷酸序列如启动子、终止子、阻遏子、增强子等），构建特定的基因回路，再组装成集成系统，最后设计组装具有特定功能的人工生命系统（组织或个体生命等）。

图片来源：http://www.syngentech.com.cn/ 

四、合成生物学重要研究内容

1、生物大分子的合成以及模块化（蛋白质、核酸等）

2、生物基因组的设计合成、简化与构建

3、合成生命代谢网络

4、遗传/基因回路的设计构建

5、细胞工厂和人工多细胞体系

6、工程生物系统的计算机模拟和功能预测

五、合成生物学重要技术

1、DNA合成技术：

柱式寡核苷酸合成技术、芯片DNA合成技术、酶促DNA合成技术。

DNA合成技术是合成生物学的核心技术，指通过化学合成和酶促合成来合成寡核苷酸片段。

其中化学合成法又称作固相亚磷酰胺三酯化学合成法，是将DNA固定在固相载体上完成DNA链的自动循环合成的，合成的方向是由待合成引物的3'端向5'端合成的，相邻的核苷酸通过3'→5'磷酸二酯键连接。该技术又以应用不同的固相载体又分为柱式寡核苷酸合成技术和芯片DNA合成技术。其中柱式多以填充多孔玻璃（controlled pore glass，CPG）或聚苯乙烯（polystyrene，PS）筛板的合成柱作为固相载体。

亚磷酰胺三酯化学合成的基本循环

图片来源：DNA合成、组装与纠错技术研究进展

酶促合成法：由于化学合成法使用的有机试剂不仅有毒、易燃且不稳定，所以大家都致力于寻求一种新型的、不借助DNA模板，只在酶的催化作用下进行DNA合成的技术，该技术选择将末端脱氧核苷酸转移酶（TdT）与dNTP通过连接子连接，所得dNTP-TdT交联体可在10-20s的时间完成DNA链的延伸，Molecular Assemblies，Inc公司是首个将该技术推到商业化的公司。

TdT-dNTP 交联体介导的可逆终止用于寡核苷酸合成循环

图片来源：DNA合成、组装与纠错技术研究进展

2、DNA组装技术：

从头合成的大片段的DNA组装技术，是基因合成的关键。包括：BioBrick™ 、Golden Gate、Overlap PCR、CPEC、TAR（酵母内同源重组）、Gibson assembly、SLIC

现有的DNA合成技术其实很有限，无法直接准确合成基因长度的DNA片段，分级的体外与体内组装技术的合理搭配，可将分段合成的寡核苷酸片段装配成长片段DNA，达到基因长度甚至基因组长度DNA序列的合成。

3、基因编辑技术：

传统基因打靶技术（λ-Red同源重组、位点特异性重组）、新型的靶向基因编辑技术：DNA编辑（ZFN、TALEN、CRISPR）、RNA编辑（LEAPER™）等

新型基因编辑技术是合成生物学新兴技术之一。对基因序列进行编辑“改正或修正”，具体来讲就是使用特异性蛋白将剪切工具带到特定位点，实现敲入、敲除或改写，包括DNA编辑和RNA编辑，传统的基因编辑是根据DNA同源重组原理的基因打靶技术，包括λ-Red同源重组、位点特异性重组（Cre-Loxp、Flp-FRT、attB-attP等）。

DNA编辑

①锌指核酸酶ZFN技术：

锌指核酸酶（ZFN）是人工改造的限制性内切酶，由锌指蛋白和FokⅠ内切酶两部分组成，前者是拥有特异性识别的DNA结合域，用来确定靶点，后者是进行非限制性内切酶功能的DNA剪切域。

通过ZFN将DNA双链断开后，细胞内的非同源末端（NHEJ）修复系统和同源重组（HR）修复系统会自动修复。非同源末端（NHEJ）修复系统可能产生随机插入和（或）缺失，引起移码突变，实现基因敲除，而同源重组（HR）修复，会使基因组DNA修复或者在切割部位发生基因替换。

ZFN酶切割基因形成双链后的自我修复

图片来源：Genome Engineering With Zinc-Finger Nucleases

 ②转录激活因子样效应物核酸酶TALEN技术：

TALEN技术的作用机制与ZFN类似，也是由特异性识别目标序列的TALE蛋白和介导切割的FokⅠ内切酶两部分组成。相较于ZFN技术，TALEN技术设计更简单，特异性更高。因其蛋白结构可以特异性识别A、T、G、C这4种碱基的一个或多个。研究表明使用该技术可以用于治疗胰蛋白缺乏症（AAT）患者。

TALEN结构

图片来源：TALE and TALEN genome editing technologies[J]. Gene and Genome Editing

③成簇的规律间隔的短回文重复序列

CRISPR / Cas9技术：

CRISPR/Cas9技术是一项基因编辑的新兴技术，于2020年获得诺贝尔化学奖，该技术可直接用于基因突变或敲除。相较于传统以基因重组为基础的基因编辑技术，CRISPR/Cas9技术操作简单、成本低、编辑位点精确、脱靶率低，其基因编辑效率超过30%，大大降低了基因编辑的时间成本和经济成本。

图片来源：基因魔剪：改写生命密码新工具

利用CRISPR/Cas9基因编辑技术不仅可以治疗人类某些遗传疾病，如治疗镰状细胞性贫血和β地中海贫血等血液疾病以及遗传性眼病等，还可以通过改良植物、微生物等基因应用于农业、食品、化工等领域。应用前景光明！

RNA编辑

RNA单碱基编辑技术LEAPER™

不同于DNA编辑是对遗传信息的永久改变。RNA编辑是可逆的，且编辑效果与剂量有关。RNA单碱基编辑技术LEAPER™是利用内源性ADAR对RNA进行程序化编辑（ADAR是Adenosine Deaminase Acting on RNA的缩写，即RNA腺苷脱氨酶）。

该技术利用细胞中的自然机制，只需转入一条特殊设计的“向导”RNA，就能够通过招募细胞内源的蛋白对目标RNA上特定的核苷酸产生高效精准的编辑，并不需要引入任何外源效应蛋白。

图片来源：https://www.edigene.com/overview/

4、体内定向进化技术:PAGE、RAGE

定向进化指的是在实验室条件下定向的创造突变，并对突变文库施加筛选压力，从而筛选出具有期望表型的突变体。目前体内定向进化的新技术主要有：PAGE、RAGE

PAGE技术：通过将生物分子的实验室进化和一种噬菌体的生命周期结合，让蛋白在24小时内进化60轮的一种技术。

RAGE技术：美国伊利诺伊大学研究团队在酵母中开发一类基于RNA干扰的基因组进化方法，鉴定了3个敲除靶点，该技术能够加快基因筛选。

六、合成生物学在实际生活中的应用

利用合成生物学这一工具可以不同层面（酶、代谢途径和基因组）地对微生物合成过程进行设计、调控和优化，因此，合成生物学可以广泛应用于农业、食品、服装、能源化工燃料、化妆品、环境保护和生物医药甚至军事等领域。

农业：

合成生物学通过对植物基因定向设计，可以改变原有合成代谢通路，提高理想产物的产量，还可以通过植物微生物组工程从而减少肥料使用，做到绿色农业。例如科学家们通过CRISPR / Cas9基因编辑技术，编辑水稻从土壤吸收重金属（镉和砷）的基因，这些重金属对人体和动植物均有毒害作用，通过基因改良使得水稻富含的镉和砷元素降低，达到绿色农业的目的。

图片来源：The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition

生物制药：

合成生物学目前已经广泛应用于提高药物产量、无细胞蛋白合成、发现新药物以及开发新型基因疗法等领域。

1、提高药物产量：如Amyris公司通过设计构建生产抗疟药物青蒿素的人工酵母细胞，成功使得100立方米工业发酵罐替代了5万亩农业种植的产能，大大降低了成本，提高产量。

2、利用无细胞蛋白合成系统来完成诊断、疾病预防：

无细胞蛋白合成系统（CFPS）就是以线性、质粒DNA为模板，在细胞裂解液提供多种酶的作用下通过补充底物和能量物质来实现蛋白质的体外合成，是一种在试管内就可以实现体内全部生化反应的生物分子系统。常用的CFPS组分一般由大肠杆菌裂解液、兔网织红细胞裂解液、小麦胚芽提取物、酵母提取物组成。

CFPS（以细胞裂解物、能源、核苷酸、氨基酸、盐、辅酶、线性或质粒 DNA 和水/缓冲液来维持反应）

图片来源：Exploring the Potential of Cell-Free Protein Synthesis for Extending the Abilities of Biological Systems 

基于此哈佛大学、麻省理工学院和多伦多大学的科研人员合作开发了这种新型的无细胞蛋白合成系统，并且将CFPS组分制成冻干提取物，制备成便携式微型药物合成工厂。通过加入相应的代谢模块，即能生产出具有生物活性的抗菌肽、白喉菌苗、纳米抗体和小分子药物等，为疾病的预防、诊断以及个体化精准治疗提供了新的可能，同时也实现了按需生产和携带的方便性。

3、提供基因治疗疾病的新疗法：

我们知道疾病是源于先天基因问题或后天各种因素（环境、物理、化学等）引发的机体特定部位功能障碍，结合合成生物学的设计理念，先天性遗传疾病即可采取修复重建机体功能的形式来实现治疗目的。

基本思路：利用人工合成设计的原理，将具有致病基因置换或增补患者体内有缺陷的基因或把某些遗传物质转移到患者体内，从而合成构建大量治疗性基因回路，在载体的协助下最终植入人体，通过纠正机体缺陷的回路功能而最终实现疾病治疗目的。又分为体内治疗和体外治疗：

作用机制：

l 在体内增补有缺陷的基因或健康基因替换致病基因

l 抑制或灭活致病基因

l 对基因进行编辑“改正或修正”

例如，研究者发现使用CRISPR / Cas9技术可以用于治疗镰状细胞性贫血和β地中海贫血等血液疾病以及遗传性眼病，甚至其他基因疾病如脊髓性肌肉萎缩和亨廷顿舞蹈病等，也有望通过基因编辑疗法治愈，这也吸引了一大批创新医药公司投入研发；如国外的Bluebird Bio，还有国内的博雅辑因等。但目前尚未有获批上市的基因编辑疗法药物。

生物制造、化学品和材料：

以一家合成生物学公司Bolt Threads的人造蜘蛛丝产品为例来说明，Bolt Threads 公司利用通过将转基因酵母，水和糖组合在一起，通过发酵转化成生丝（与糖转化成酒精来酿造啤酒的过程类似）。并用这些人工合成蜘蛛丝制成领带、帽子、衣物等织物成功销售。与传统纺织品制造工艺相比，人造蜘蛛丝的生产对环境的影响更小，并且在其使用寿命结束时，还具有生物降解的潜力，同样实现了绿色制造。

https://boltthreads.com/

能源燃料和环境保护：

有研究者对藻类和蓝细菌进行人工基因组改造，改造后使得它们能进行光合作用，并且产生大量成本低和绿色环保的生物燃料，这些生物燃料的理化性质与石油来源的燃料十分接近。

食物和营养：

APeel sciences公司利用合成生物学研究开发出一种生物涂料，可以使牛油果的保存期限超过原来的一倍；

Impossible Food公司利用毕氏酵母重组表达豆血红蛋白用于改善人造牛肉风味。使之品尝起来如同真实的牛肉；

Perfect Day公司利用细胞工厂技术，创建了能够合成牛奶香味和营养成分的人工酵母，通过酵母细胞工厂发酵生产牛奶一样的蛋白质。

军事：

此前提及的利用无细胞蛋白合成系统制备的微型药物工厂因为方便携带，可以作为在部队的随身医药箱，可以按战事需求生产特需药物，应用前景光明！

七、合成生物学市场大爆发

综上所述，合成生物学的各种应用影响着我们的生活点点滴滴，作为一项造福人类的生命科技革命，合成生物学的锋芒渐露，资本和市场的敏锐嗅觉立马捕捉到这一点，他们当然不会放过合成生物学这一香饽饽，自此合成生物学迎来黄金发展期。

《福布斯》曾提出合成生物学将驱动高达4万亿美元的生物学经济的观点；

根据工程生物产业数据分析平台 Engineering Biology Insights（EB Insights） 分析数据显示， 2019 年全球合成生物学市场规模达 53 亿美元。预计到 2024 年，与 2019 年相比，合成生物学市场规模的年复合增长率（CAGR）将增长 28.8%，达到 189 亿美元。

据合成生物学行业组织Synbiobeta公布的2020年市场报告显示，2009年-2020年间，合成生物学市场不断增长，全球合成生物学领域累计共发生约400起融资事件，合成生物学市场正走向爆发期。

图片来源：https://synbiobeta.com/

2021年或将成为合成生物学投资创纪录的一年

2021年4月，Synbiobeta发布合成生物学2021年第一季度市场报告。报告显示，仅2021年第一季度，合成生物学领域的投资高达66.08亿美元，超过2009-2019年11年的总额，仅略低于2020年全年的投资，同比增长409%，2021年或将成为合成生物学投资创纪录的一年，预计2021年投资可高达360亿美元。

图片来源：https://synbiobeta.com/

爆发原因

这是多方因素联合作用的结果。

首先，合成生物学作为一种工具，应用范围广泛，涉及日常生活的方方面面，各行各业都瞄准了这一巨大的市场空间。大量人力物力财力纷纷涌入，自然水涨船高，引起市场大爆发！

其次，各种新兴技术不断高质量飞速发展，使得合成生物学的大爆发成为必然。2020年CRISPR-CAS9基因编辑技术获得诺贝尔化学奖，该技术可以实现对多个基因进行编辑，较之前的基因编辑技术有着简单易行、周期短、效率高等显著优点，还有下一代高通量测序技术、酶促 DNA 合成技术等新技术的发展都无形之中引爆了合成生物学！

八、国内外不断涌入的合成生物学玩家

下面分类简要列举一下各类型的代表公司

主要分为三类：

一、生物体设计与自动化平台型公司：

平台型公司主要通过构建合成生物学底层的软件、以及硬件解决综合方案（提供 DNA 合成、微生物设计和基因编辑等）。作为支持合成生物学发展的底层力量，该品类的公司既掌握着底层的技术，又可将公司的业务拓展至应用层，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。

二、提供使能技术型公司：

简而言之，就是提供DNA/RNA合成、高通量测序、基因编辑等技术服务的公司，以Illumina为代表。

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 、迪赢生物和泓讯科技等

三、产品层应用公司（医药，工业化学品、生物燃料，农业等领域产品）：

主要有：Moderna Therapeutics、Precigen、Prokarium、Elevate Bio、纽福斯、Sana Biotechnology 、AavantiBio、合生基因、博雅辑因等。

生物医药领域代表公司：

还有一些涉及多领域产品的合成生物学公司：

九、结语

合成生物学作为一种工具，策略或方法，有着巨大的社会效益及经济价值，并且应用范围极其广泛，涉及包括能源、环境、化工、材料、医药等多种领域，未来潜力巨大，可以按人类需求自由设计合成一切，我们可以定向地人工合成微生物、通过合成的微生物来大量生产廉价高效的药物、来制造清洁并可持续的生物能源…未来疯狂而美好！

十、参考文献：

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https://www.edigene.com/overview/

http://www.syngentech.com.cn/

https://synbiobeta.com/q1-shatters-previous-synthetic-biology-investment-record-signals-projected-2021-investment-of-up-to-36-billion/

https://synbiobeta.com/synthetic-biology-investment-set-a-nearly-8-billion-record-in-2020-what-does-this-mean-for-2021/

http://blog.sciencenet.cn/blog-2742581-915226.html

http://www.bioengx.com/review-of-trend-in-synthetic-biology/

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S095816691930103X

https://www.wired.com/story/apeel/

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