合成生物学新世界

2024-12-23 12:59:13, Alma 丹纳赫生命科学

人类长期以来一直致力于理解生命的本质，而合成生物学帮助回答有关生命的基本问题。该学科旨在设计和构建能够实现有用功能的新生物系统，运用模块化、标准化和抽象化的工程原理，以促进合理设计用于工业应用^[1]。

随着我国《“十四五”生物经济发展规划》的颁布，被誉为“第三次生物科技革命”的合成生物学研究热度高涨^[2]。除了国家政策的支持，技术推动和市场需求的双重作用使合成生物学在过去十年间的发展进一步加速。根据NovaOneAdvisor的数据，合成生物学市场预计将从2023年的140.9亿美元增长到2033年的801.7亿美元，CAGR为19%^[3]。

技术突破推动合成生物学发展

合成生物学设计和构建新的生物实体（如酶、基因组和细胞）或重新设计现有的生物系统，它的开始基于重组DNA的研究——将原有的DNA序列从一个生物体转移到另一个生物体（包括跨物种边界），从而转移该DNA编码的生物特征^[4]。

通过几十年的发展，这项技术也变得越来越精确和可重复。相比系统生物学旨在“跨越不同尺度、从分子/细胞层面到组织和生物体层面，来描述细胞作为复杂的信息处理系统”而言，合成生物学旨在设计和构建自身系统；通过设计-构建-测试-学习（DBTL）寻求以合成转化化学和集成电路设计转化计算的方式转化生物学，使用抽象、标准化和自动化构建来改变我们构建生物系统的方式^[5]。

合成生物学融合化学、生物学、计算机科学和工程

“设计”过程定义了问题并制定选择所需的技术路线和宿主初步设计方案，使用文献和计算工具为特定功能设计生物电路或系统；“构建”过程是对组件进行选择、合成和组装以纳入宿主；“测试”阶段是验证设计的阶段，使用度量和控制测试系统功能，验证目标分子生产、转录、蛋白质和代谢物的工程菌株；“学习”组件检查、分析测试数据，这可以为周期的进一步迭代提供信息^[6]。因此多学科的交叉融合共同推动了合成生物学的发展。

重塑碳基物质文明发展模式

生物制造是以合成生物学为工具，利用淀粉、纤维素、二氧化碳等可再生碳资源为原料，进行化学品、药品、食品、生物能源、生物材料等物质加工与合成的生产方式，具有清洁、高效、可再生等特点，能够减少工业经济对生态环境的影响，为包括医学、食物、化妆品、能源和环境在内的许多行业奠定新的发展基础。

从基础科研到工业化生产

基础和应用科学研究：建立科研底层研究工具、提升应用效率，针对目标应用不断探索和建立高效合成途径，并利用合成生物学专业知识和工具集创造实际场景下的产品应用。

工程研发：工艺路径改善，使得目标产量尽可能接近甚至超越既有的生产效率。比如通过不断调整工艺路线，提升原料转化效率，分步优化中间产物生产效率，对终产物结构进行微调等。

工业化生产：从“实验室”走向“生产线”（中式和放大），需要摸索及优化发酵条件、布局建设对应生产设施等。

未来展望

合成生物学的许多研究里程碑和新方向令人印象深刻，技术的进步带来的社会进步令人兴奋。通过工程细胞制造化学品、药物、化妆品和食品等，成功的推动了越来越多的产业发生变革并为其带来巨大的经济价值。同时，也助力人类可持续发展的目标，为保护环境和减少碳排放做出贡献。

丹纳赫生命科学拥有合成生物学整体解决方案，通过以工程化和创新的自动化解决方案为核心，助力并加速合成生物学研究。

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参考资料

1. Kathryn L. Garner. Principles of synthetic biology. Essays in Biochemistry. 2021, 65: 791.

2. 王浩绮，高豪，信丰学. “十四五”背景下合成生物学产业发展趋势分析.“生物学杂志”, 2023, 40: 1.

3.“合成生物前景广阔，诚志股份等优势玩家加速布局”，中国发展改革https://baijiahao.baidu.com/s?id=1806267819913271480&wfr=spider&for=pc

4. E Aurand, J Keasling, D Friedman, etal. Engineering Biology: A Research Roadmap for the Next-Generation Bioeconomy. Engineering Biology Research Consortium. 2019, roadmap.ebrc.org.

5. Meng F, Ellis T. The second decade of synthetic biology: 2010–2020. Nature Communications. 2020, 11: 5174.