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• 1合成生物學：開啟生命科學“會聚”研究新時代

自然科學各學科的研究對象在時空尺度上的差別與相連，既決定了學科間的差別，也決定了學科間的交叉。生物學在發(fā)展到以機理研究為主的“生命科學”階段后，得益于學科交叉和技術(shù)創(chuàng)新，在20世紀“分子生物學”和“基因組學”革命基礎(chǔ)上，通過引入工程學理念，形成了“合成生物學”，并迅速形成“會聚研究”的第三次革命。文章在闡述合成生物學的內(nèi)涵并回顧其學科發(fā)展歷程與取得成果的基礎(chǔ)上，特別提出了合成生物學的科技支撐與社會治理問題，期望引起科學界、社會公眾與政府管理層面的關(guān)注。

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• 2符合工程化需求的生物元件設(shè)計

從合成生物學的角度來認知生命，其本質(zhì)是可數(shù)據(jù)化與可設(shè)計性。生命體中絕大多數(shù)的催化功能是由酶來實現(xiàn)的，因此催化元件是合成生物學中最核心的元件之一。序列決定構(gòu)象，而構(gòu)象則決定功能。基于空間結(jié)構(gòu)的催化元件序列數(shù)字化設(shè)計，是合成生物學研究的重要熱點和前沿領(lǐng)域。它既可為開發(fā)合成生物學功能器件，特別是全新化學催化器件提供大量原型分子，同時也為發(fā)展模塊化、工程化調(diào)控元件提供設(shè)計模板和指導規(guī)律。文章針對近年來出現(xiàn)的生物元件，尤其是催化元件的前沿進展進行簡要介紹。

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• 3人工基因線路的研究進展和未來挑戰(zhàn)

基因線路是生命體對自身生命過程控制的動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)。在工程化的設(shè)計原理的指導下，人工基因線路是對天然基因調(diào)控線路進行簡單化處理和重新編程，以及引入自然界不存在的人造法則。人工基因線路由遺傳開關(guān)、生物振蕩器、邏輯門等組成，以執(zhí)行諸多調(diào)控功能。多種多樣的人工基因線路設(shè)計與構(gòu)建，不僅極大地促進了人們對生命調(diào)控基本規(guī)律的認識，也進一步豐富了人們對天然的生物系統(tǒng)進行改造、再創(chuàng)的手段，并為醫(yī)藥健康、農(nóng)業(yè)環(huán)境和工業(yè)發(fā)酵等領(lǐng)域的實際需求提供了全新解決方案。雖然在過去?20?年里，人們在人工基因線路領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果，但是細胞體內(nèi)蘊含著的眾多復雜生化反應和信號傳導途徑，為設(shè)計和組裝具有更加高級功能的基因線路帶來了挑戰(zhàn)。相應地，如何實現(xiàn)微小細胞內(nèi)復雜基因線路的可預測設(shè)計組裝，如何保障基因線路在復雜的體內(nèi)外環(huán)境下發(fā)揮穩(wěn)健的功能，將成為未來幾年人工基因線路研究的關(guān)鍵核心問題和勢必克服的重大挑戰(zhàn)。

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• 4面向生物合成的代謝工程策略設(shè)計

代謝工程研究的主要目的是通過改造菌株代謝網(wǎng)絡，高效地合成目的產(chǎn)品。由于細胞代謝網(wǎng)絡的復雜性，從數(shù)千個代謝反應及其調(diào)控回路中找到合適的改造靶點非常困難，往往要經(jīng)過反復試差才能成功。通過對大規(guī)模代謝網(wǎng)絡的計算分析，設(shè)計出特定生物產(chǎn)品的最優(yōu)合成途徑，可以幫助人們找出合適的代謝工程改造策略，減少改造過程的盲目性，更快更好地得到生物合成菌株。文章重點討論兩個問題：如何設(shè)計代謝網(wǎng)絡來合成原來不能合成的產(chǎn)品并提高產(chǎn)品得率，介紹了基于代謝網(wǎng)絡計算分析的代謝工程設(shè)計方法；如何設(shè)計菌株實現(xiàn)酶反應的精準調(diào)控，介紹了通過設(shè)計基因回路動態(tài)調(diào)控代謝途徑流向的動態(tài)代謝工程研究新進展。

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• 5DNA的合成、組裝及轉(zhuǎn)移技術(shù)

合成生物學作為新近迅速發(fā)展的交叉學科，已在生物醫(yī)藥、能源、新材料等領(lǐng)域展現(xiàn)越來越廣泛的應用潛力。合成基因組學作為合成生物學的重要研究方向，著重于新生命體系的從頭設(shè)計與合成，其以?DNA?合成、拼裝和轉(zhuǎn)移等核心技術(shù)為支撐。文章對當前基因組合成相關(guān)技術(shù)進行了闡述，以系統(tǒng)了解該技術(shù)體系中存在的問題，便于尋找突破點，把握發(fā)展契機。

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• 6基因編輯技術(shù)：進展與挑戰(zhàn)

基因編輯是指對目標基因進行刪除、替換、插入等操作，以獲得新的功能或表型，甚至創(chuàng)造新的物種。作為生命科學發(fā)展迅速的重要研究領(lǐng)域，基因編輯技術(shù)的開發(fā)及應用使得生物體的遺傳改造進入了前所未有的深度與廣度，為解析特定基因的功能立下了汗馬功勞。文章對當前基因編輯相關(guān)技術(shù)，及我國在基因編輯領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)及機遇進行概述，以增進對該技術(shù)體系的整體認知，幫助更好地尋找該領(lǐng)域新的突破點。

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• 7人工細胞的表型測試與分選：構(gòu)建從光譜學到遺傳學的橋梁

近年來，基因組測序、編輯與合成技術(shù)日新月異，推動了基因型“設(shè)計”和“合成”能力的突飛猛進，同時也使人工細胞的表型檢測成為合成生物學發(fā)展的瓶頸環(huán)節(jié)之一。對于細胞功能的快速測試與評價，單細胞分析技術(shù)具有重要意義與前景，但理想的解決方案需要具備活體無損、非標記式、提供全景式表型、能分辨復雜功能、快速高通量且低成本、能與組學分析聯(lián)動等特征。以此為出發(fā)點，文章重點介紹了基于非標記式分子光譜學的單細胞功能表征、分選與組學技術(shù)體系的進展，并討論了該領(lǐng)域的關(guān)鍵問題與發(fā)展方向。多種光譜技術(shù)之間揚長避短的運用與多模態(tài)成像，結(jié)合高通量的光譜激活細胞分選技術(shù)及下游單細胞組學技術(shù)，正構(gòu)建與拓展著一條連接光譜學與遺傳學的廣闊橋梁。這一橋梁不僅為細胞工廠的高通量、全景式表型檢測與篩選提供全新的解決方案，還將推動“單細胞精度的光譜表型組-功能基因組”作為一種新的生物大數(shù)據(jù)類型，服務于“數(shù)據(jù)科學”驅(qū)動下的合成生物技術(shù)。

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• 8基因組的設(shè)計與工程化構(gòu)建

合成生物學是利用工程化的思想來設(shè)計和構(gòu)建新的生物基因組，是近年來的研究熱點。近年來，對原核細胞支原體天然小基因組進行從頭合成并進一步設(shè)計與構(gòu)建最小基因組，對原核模式生物大腸桿菌基因組的不斷刪減及全基因組密碼子簡約化設(shè)計與人工合成測試，以及對真核模式生物釀酒酵母基因組人工設(shè)計與合成測試都取得了很大成功，極大地促進了我們對生命的理解。我國的基因組的設(shè)計與工程化構(gòu)建方面的研究雖然起步較晚，但近年來取得了國際矚目的成果。基因組的設(shè)計與構(gòu)建為深入了解生命起源與進化，并為進一步構(gòu)建具有強大應用功能的新型生命體奠定了基礎(chǔ)。

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• 9合成生物學工業(yè)應用的現(xiàn)狀和展望

通過合成生物學技術(shù)可以實現(xiàn)化學品的生物合成，從而為擺脫石油資源依賴提供了可能。合成生物學技術(shù)的發(fā)展極大地提高了微生物細胞工廠生產(chǎn)化學品的能力，創(chuàng)造的新菌種、新工藝可以有效替代傳統(tǒng)工藝，顯著降低污染，大幅減少能耗，提升傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)的技術(shù)水平。文章對利用合成生物學技術(shù)構(gòu)建細胞工廠以及構(gòu)建多酶分子機器來生產(chǎn)化學品的關(guān)鍵因素和典型案例進行了綜述，并對合成生物學技術(shù)工業(yè)應用的未來進行了展望。

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• 10合成生物學的醫(yī)學應用研究進展

在醫(yī)學應用領(lǐng)域，合成生物學以人工設(shè)計的基因線路改造人體自身細胞，或改造細菌、病毒等人工生命體，再使其間接作用于人體。這些經(jīng)人工設(shè)計的生命體能夠感知疾病特異信號或人工信號、特異性靶向異常細胞和病灶區(qū)域、表達報告分子或釋放治療藥物，從而實現(xiàn)對人體生理狀態(tài)的監(jiān)測，以及對腫瘤、代謝疾病、耐藥菌感染等典型疾病的診斷與治療。文章將綜述了合成生物學的醫(yī)學應用領(lǐng)域近期的一些研究進展。

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• 11植物天然產(chǎn)物合成生物學研究

植物天然產(chǎn)物在醫(yī)藥健康領(lǐng)域有著廣泛的應用。從植物中直接提取是目前生產(chǎn)植物源天然產(chǎn)物的主要方法，但此法在環(huán)境、安全和效率等方面存在諸多問題。基于合成生物學的理念，創(chuàng)建人工細胞工廠發(fā)酵生產(chǎn)植物源天然產(chǎn)物是一種新的資源獲取模式。文章將從研究路線出發(fā)，在萜類、苯丙素類和生物堿等化合物的生產(chǎn)應用案例中，介紹人工合成細胞生產(chǎn)植物源天然產(chǎn)物的研究現(xiàn)狀。

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• 12光合作用合成生物學研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展策略

首先介紹光合作用在國際及國內(nèi)研究現(xiàn)狀，進而簡介當前光合作用合成生物學作為一個新興學科其主要研究范圍及進展，提出我國光合作用合成生物學研究目前面臨提高其研究系統(tǒng)性、與需求更緊密結(jié)合及提高支持力度等需求。鑒于光合作用對未來糧食安全、能源安全及可持續(xù)性生態(tài)環(huán)境維持具有重要戰(zhàn)略意義，其未來發(fā)展需聚焦于已有光合作用系統(tǒng)優(yōu)化、光合系統(tǒng)與光合同化產(chǎn)物利用途徑協(xié)同、跨物種間光合系統(tǒng)重構(gòu)、全新光合途徑構(gòu)建、光合系統(tǒng)與生物材料耦合等研究方向。

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• 13合成生物學研究的工程化平臺

合成生物學研究中，海量的工程化試錯實驗遠遠超出傳統(tǒng)的勞動密集型研究范式的能力范疇，因而亟需一種變革性的工程化研究平臺。工程化平臺通過引進各類符合生產(chǎn)所需的智能裝備，開展大規(guī)模個性定制模式創(chuàng)新，實現(xiàn)生命體的遠程定制、異地設(shè)計、規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)。工程化平臺能夠快速積累經(jīng)驗知識，是實現(xiàn)生命體可預測合成的科學基礎(chǔ)。文章介紹了合成生物學研究的一些工程化平臺，及其上下游機構(gòu)的發(fā)展案例、創(chuàng)新機制與趨勢。

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• 14創(chuàng)新政策體系 保障合成生物學科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

近年來，合成生物學飛速發(fā)展，為生命科學研究帶來了新思維、新方法，不僅極大提升了人類對生命本質(zhì)的理解，由此催生科學與技術(shù)、文化與產(chǎn)業(yè)的革命，也引發(fā)了合成生物學領(lǐng)域在研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化、教育培訓、知識產(chǎn)權(quán)、公眾認知，以及倫理和生物安全監(jiān)管等方面的討論。文章梳理了合成生物學科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展在政策與管理方面的挑戰(zhàn)，以及已有的一些策略和實踐，提出加強頂層設(shè)計、明確監(jiān)管責任，建立技術(shù)標準、規(guī)范市場準入，重視教育培訓與科普宣傳平臺建設(shè)，構(gòu)建政府部門、科技界、教育界、產(chǎn)業(yè)界、公眾共同參與的創(chuàng)新政策體系及綜合治理體系等建議。

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• 15設(shè)計生命：合成生物學的安全風險與倫理挑戰(zhàn)

合成生物學的快速發(fā)展引起學界的廣泛關(guān)注。合成生物學的工程特性賦予其“設(shè)計”和“重構(gòu)”的實踐內(nèi)涵，人為設(shè)計的生命得以加入傳統(tǒng)的以??DNA?為基礎(chǔ)的生命進化進程，進而引發(fā)了一系列安全風險和倫理問題。文章探討了合成生物學發(fā)展歷程中的標志性事件所引發(fā)的倫理爭議，剖析了合成生物學面臨的安全風險、倫理困境及其誘因，在借鑒歐美國家監(jiān)管機制的基礎(chǔ)上，提出我國合成生物學倫理監(jiān)管的思路。

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