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• 1合成生物學(xué)：開(kāi)啟生命科學(xué)“會(huì)聚”研究新時(shí)代

自然科學(xué)各學(xué)科的研究對(duì)象在時(shí)空尺度上的差別與相連，既決定了學(xué)科間的差別，也決定了學(xué)科間的交叉。生物學(xué)在發(fā)展到以機(jī)理研究為主的“生命科學(xué)”階段后，得益于學(xué)科交叉和技術(shù)創(chuàng)新，在20世紀(jì)“分子生物學(xué)”和“基因組學(xué)”革命基礎(chǔ)上，通過(guò)引入工程學(xué)理念，形成了“合成生物學(xué)”，并迅速形成“會(huì)聚研究”的第三次革命。文章在闡述合成生物學(xué)的內(nèi)涵并回顧其學(xué)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(xué)的科技支撐與社會(huì)治理問(wèn)題，期望引起科學(xué)界、社會(huì)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(jì)

從合成生物學(xué)的角度來(lái)認(rèn)知生命，其本質(zhì)是可數(shù)據(jù)化與可設(shè)計(jì)性。生命體中絕大多數(shù)的催化功能是由酶來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此催化元件是合成生物學(xué)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?；诳臻g結(jié)構(gòu)的催化元件序列數(shù)字化設(shè)計(jì)，是合成生物學(xué)研究的重要熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。它既可為開(kāi)發(fā)合成生物學(xué)功能器件，特別是全新化學(xué)催化器件提供大量原型分子，同時(shí)也為發(fā)展模塊化、工程化調(diào)控元件提供設(shè)計(jì)模板和指導(dǎo)規(guī)律。文章針對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的生物元件，尤其是催化元件的前沿進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

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• 3人工基因線路的研究進(jìn)展和未來(lái)挑戰(zhàn)

基因線路是生命體對(duì)自身生命過(guò)程控制的動(dòng)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)。在工程化的設(shè)計(jì)原理的指導(dǎo)下，人工基因線路是對(duì)天然基因調(diào)控線路進(jìn)行簡(jiǎn)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(kāi)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(jì)與構(gòu)建，不僅極大地促進(jìn)了人們對(duì)生命調(diào)控基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也進(jìn)一步豐富了人們對(duì)天然的生物系統(tǒng)進(jìn)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(shí)際需求提供了全新解決方案。雖然在過(guò)去?20?年里，人們?cè)谌斯せ蚓€路領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果，但是細(xì)胞體內(nèi)蘊(yùn)含著的眾多復(fù)雜生化反應(yīng)和信號(hào)傳導(dǎo)途徑，為設(shè)計(jì)和組裝具有更加高級(jí)功能的基因線路帶來(lái)了挑戰(zhàn)。相應(yīng)地，如何實(shí)現(xiàn)微小細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜基因線路的可預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)組裝，如何保障基因線路在復(fù)雜的體內(nèi)外環(huán)境下發(fā)揮穩(wěn)健的功能，將成為未來(lái)幾年人工基因線路研究的關(guān)鍵核心問(wèn)題和勢(shì)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(jì)

代謝工程研究的主要目的是通過(guò)改造菌株代謝網(wǎng)絡(luò)，高效地合成目的產(chǎn)品。由于細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，從數(shù)千個(gè)代謝反應(yīng)及其調(diào)控回路中找到合適的改造靶點(diǎn)非常困難，往往要經(jīng)過(guò)反復(fù)試差才能成功。通過(guò)對(duì)大規(guī)模代謝網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算分析，設(shè)計(jì)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(guò)程的盲目性，更快更好地得到生物合成菌株。文章重點(diǎn)討論兩個(gè)問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)代謝網(wǎng)絡(luò)來(lái)合成原來(lái)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(luò)計(jì)算分析的代謝工程設(shè)計(jì)方法；如何設(shè)計(jì)菌株實(shí)現(xiàn)酶反應(yīng)的精準(zhǔn)調(diào)控，介紹了通過(guò)設(shè)計(jì)基因回路動(dòng)態(tài)調(diào)控代謝途徑流向的動(dòng)態(tài)代謝工程研究新進(jìn)展。

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• 5DNA的合成、組裝及轉(zhuǎn)移技術(shù)

合成生物學(xué)作為新近迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，已在生物醫(yī)藥、能源、新材料等領(lǐng)域展現(xiàn)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用潛力。合成基因組學(xué)作為合成生物學(xué)的重要研究方向，著重于新生命體系的從頭設(shè)計(jì)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(duì)當(dāng)前基因組合成相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了闡述，以系統(tǒng)了解該技術(shù)體系中存在的問(wèn)題，便于尋找突破點(diǎn)，把握發(fā)展契機(jī)。

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• 6基因編輯技術(shù)：進(jìn)展與挑戰(zhàn)

基因編輯是指對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)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(xué)發(fā)展迅速的重要研究領(lǐng)域，基因編輯技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用使得生物體的遺傳改造進(jìn)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(duì)當(dāng)前基因編輯相關(guān)技術(shù)，及我國(guó)在基因編輯領(lǐng)域存在的挑戰(zhàn)及機(jī)遇進(jìn)行概述，以增進(jìn)對(duì)該技術(shù)體系的整體認(rèn)知，幫助更好地尋找該領(lǐng)域新的突破點(diǎn)。

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• 7人工細(xì)胞的表型測(cè)試與分選：構(gòu)建從光譜學(xué)到遺傳學(xué)的橋梁

近年來(lái)，基因組測(cè)序、編輯與合成技術(shù)日新月異，推動(dòng)了基因型“設(shè)計(jì)”和“合成”能力的突飛猛進(jìn)，同時(shí)也使人工細(xì)胞的表型檢測(cè)成為合成生物學(xué)發(fā)展的瓶頸環(huán)節(jié)之一。對(duì)于細(xì)胞功能的快速測(cè)試與評(píng)價(jià)，單細(xì)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(wú)損、非標(biāo)記式、提供全景式表型、能分辨復(fù)雜功能、快速高通量且低成本、能與組學(xué)分析聯(lián)動(dòng)等特征。以此為出發(fā)點(diǎn)，文章重點(diǎn)介紹了基于非標(biāo)記式分子光譜學(xué)的單細(xì)胞功能表征、分選與組學(xué)技術(shù)體系的進(jìn)展，并討論了該領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題與發(fā)展方向。多種光譜技術(shù)之間揚(yáng)長(zhǎng)避短的運(yùn)用與多模態(tài)成像，結(jié)合高通量的光譜激活細(xì)胞分選技術(shù)及下游單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)，正構(gòu)建與拓展著一條連接光譜學(xué)與遺傳學(xué)的廣闊橋梁。這一橋梁不僅為細(xì)胞工廠的高通量、全景式表型檢測(cè)與篩選提供全新的解決方案，還將推動(dòng)“單細(xì)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(wù)于“數(shù)據(jù)科學(xué)”驅(qū)動(dòng)下的合成生物技術(shù)。

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• 8基因組的設(shè)計(jì)與工程化構(gòu)建

合成生物學(xué)是利用工程化的思想來(lái)設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物基因組，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，對(duì)原核細(xì)胞支原體天然小基因組進(jìn)行從頭合成并進(jìn)一步設(shè)計(jì)與構(gòu)建最小基因組，對(duì)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(jiǎn)約化設(shè)計(jì)與人工合成測(cè)試，以及對(duì)真核模式生物釀酒酵母基因組人工設(shè)計(jì)與合成測(cè)試都取得了很大成功，極大地促進(jìn)了我們對(duì)生命的理解。我國(guó)的基因組的設(shè)計(jì)與工程化構(gòu)建方面的研究雖然起步較晚，但近年來(lái)取得了國(guó)際矚目的成果。基因組的設(shè)計(jì)與構(gòu)建為深入了解生命起源與進(jìn)化，并為進(jìn)一步構(gòu)建具有強(qiáng)大應(yīng)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(xué)工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀和展望

通過(guò)合成生物學(xué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)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(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地提高了微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)化學(xué)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(duì)利用合成生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建細(xì)胞工廠以及構(gòu)建多酶分子機(jī)器來(lái)生產(chǎn)化學(xué)品的關(guān)鍵因素和典型案例進(jìn)行了綜述，并對(duì)合成生物學(xué)技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的未來(lái)進(jìn)行了展望。

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• 10合成生物學(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究進(jìn)展

在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，合成生物學(xué)以人工設(shè)計(jì)的基因線路改造人體自身細(xì)胞，或改造細(xì)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(jì)的生命體能夠感知疾病特異信號(hào)或人工信號(hào)、特異性靶向異常細(xì)胞和病灶區(qū)域、表達(dá)報(bào)告分子或釋放治療藥物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生理狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，以及對(duì)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(xué)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域近期的一些研究進(jìn)展。

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• 11植物天然產(chǎn)物合成生物學(xué)研究

植物天然產(chǎn)物在醫(yī)藥健康領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(wèn)題?；诤铣缮飳W(xué)的理念，創(chuàng)建人工細(xì)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(yīng)用案例中，介紹人工合成細(xì)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(xué)研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展策略

首先介紹光合作用在國(guó)際及國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，進(jìn)而簡(jiǎn)介當(dāng)前光合作用合成生物學(xué)作為一個(gè)新興學(xué)科其主要研究范圍及進(jìn)展，提出我國(guó)光合作用合成生物學(xué)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(duì)未來(lái)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(lái)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(xué)研究的工程化平臺(tái)

合成生物學(xué)研究中，海量的工程化試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的勞動(dòng)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(tái)。工程化平臺(tái)通過(guò)引進(jìn)各類符合生產(chǎn)所需的智能裝備，開(kāi)展大規(guī)模個(gè)性定制模式創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)生命體的遠(yuǎn)程定制、異地設(shè)計(jì)、規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。工程化平臺(tái)能夠快速積累經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，是實(shí)現(xiàn)生命體可預(yù)測(cè)合成的科學(xué)基礎(chǔ)。文章介紹了合成生物學(xué)研究的一些工程化平臺(tái)，及其上下游機(jī)構(gòu)的發(fā)展案例、創(chuàng)新機(jī)制與趨勢(shì)。

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

近年來(lái)，合成生物學(xué)飛速發(fā)展，為生命科學(xué)研究帶來(lái)了新思維、新方法，不僅極大提升了人類對(duì)生命本質(zhì)的理解，由此催生科學(xué)與技術(shù)、文化與產(chǎn)業(yè)的革命，也引發(fā)了合成生物學(xué)領(lǐng)域在研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化、教育培訓(xùn)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、公眾認(rèn)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(xué)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(shí)踐，提出加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)、明確監(jiān)管責(zé)任，建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范市場(chǎng)準(zhǔn)入，重視教育培訓(xùn)與科普宣傳平臺(tái)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(jì)生命：合成生物學(xué)的安全風(fēng)險(xiǎn)與倫理挑戰(zhàn)

合成生物學(xué)的快速發(fā)展引起學(xué)界的廣泛關(guān)注。合成生物學(xué)的工程特性賦予其“設(shè)計(jì)”和“重構(gòu)”的實(shí)踐內(nèi)涵，人為設(shè)計(jì)的生命得以加入傳統(tǒng)的以??DNA?為基礎(chǔ)的生命進(jìn)化進(jìn)程，進(jìn)而引發(fā)了一系列安全風(fēng)險(xiǎn)和倫理問(wèn)題。文章探討了合成生物學(xué)發(fā)展歷程中的標(biāo)志性事件所引發(fā)的倫理爭(zhēng)議，剖析了合成生物學(xué)面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)、倫理困境及其誘因，在借鑒歐美國(guó)家監(jiān)管機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出我國(guó)合成生物學(xué)倫理監(jiān)管的思路。

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