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合成生物学旨在交叉学科的融合运用,被认为是一个基于生物学的“工具包”,用抽象化、标准化和自动化结构来改变构建生物系统和扩大可能产品的范围,是未来生物医药产业创新发展的重要增长手段。
01概念界定与发展历程
合成生物学(Synthetic Biology)是一门汇集生物学、基因组学、工程学和信息学等多种学科的交叉学科,是设计和建造新的生物实体——如酶、遗传回路和细胞,或重新设计现有的生物系统。合成生物学建立在分子、细胞和系统生物学进步的基础上,并寻求与合成化学转化和集成电路设计计算相同的方式改变生物学。其实现的技术路径是运用系统生物学和工程学原理,以基因组和生化分子合成为基础,综合生物化学、生物物理和生物信息等技术,旨在设计、改造、重建生物分子、生物元件和生物分化过程,构建具有生命活性的生物元件、系统以及人造细胞或生物体。
合成生物学经过20年的发展,迎来了许多生物技术革新及具有里程碑意义的成就,其发展历程大致分为四个阶段。
第一阶段(2005年以前):基因线路在代谢工程领域的应用,典型成果是青蒿素前体在大肠杆菌中的合成。
第二阶段(2005-2011年):“工程生物学”发展,工程化理念日渐深入,使能技术平台得到重视,工程方法和工具不断积淀。
第三阶段(2011-2015年):基因组编辑的效率大幅提升,应用领域从生物基化学品、生物能源扩展至疾病诊断、药物和疫苗开发、作物育种、环境监测、生物新材料等诸多领域。
第四阶段(2015年至今):合成生物学的“设计-构建-测试-学习”(Design-Build-Test-Learn,DBTL)等理念或学科相继提出,生物技术与信息技术融合发展的特点愈加明显。
图1 :合成生物学发展历程和重要里程碑来源:火石创造根据公开资料整理
02技术成果与研究进展
全球合成生物学的研究步伐快,我国已基本具备与强国抗衡的实力。国外发达国家以美国、英国为主导,在合成生物学研究领域发展进程较快,已经形成“政产学研用”的完备体系,欧美各国围绕基础研究、战略规划、财政支持、机构建设,以及伦理规范,在合成生物学领域都已建立健全。在大环境影响下,我国的合成生物学研究也取得了长足发展。与此同时,构建合成生物学伦理监管体系以及长期、短期技术发展路线整体规划已逐渐被提上议程。
合成生物学研究近年来取得了一系列重大成果。包括低成本DNA合成、下一代测序、多路复用、基因组工程技术,以及大量基因组序列的提供,在支持生物研究方面发挥着越来越突出的作用。2016年,科学家克莱格·文特尔等人宣布合成出“迷你”细胞,这是合成生物学领域的一大突破,创造了当时已知拥有最小基因组的人造生物JCVI-syn3．0。2021年,德国团队发现Hippea Maritima细菌的逆向三羧酸循环(TCA),这个过程使得细菌能够在充斥着CO2气体的环境中茁壮成长,为物种起源提供了新的线索。合成生物学工具在利用生物技术应对社会挑战方面的潜力不仅体现在基础科学研究中,在实际应用中也发挥着重要作用,如生产生物燃料、生物医药的合成/多功能材料,以及大规模生产化学品和食品成分等。此外,面对新冠疫情大流行对全球健康和安全的影响,合成生物学技术也显示出巨大的应用潜力,为病毒学研究和疫苗开发提供了前所未有的工具。
在全球合成生物学快速发展的背景下,我国相关研究也取得了大量突破。中国科学家曾经首次实现人工合成蛋白质(牛胰岛素)和核糖核酸(酵母丙氨酸tRNA), 近年来又在染色体合成与染色体工程、基因组编辑、生物底盘构建、定量工程生物学、生物元件工程和基因回路工程、天然活性物质和有机化工产品的人工合成代谢、计算机生物模拟等方面取得系列原始发现和创新成果。
合成生物学领域近年来技术创新研究主要聚焦在以下几个方面:基因与基因组的合成研究,让生物系统经重新组装后发挥新的功能,包括将生物系统精简成模块及其他部件,扩增、检测或克隆相关序列等;基因表达、基因治疗研究,包括基因修饰赋予新功能、抑制靶基因表达的技术等,主要对基因组进行操控和克隆;基因调控网络构建,包括研究基因线路的各种逻辑关系与调控方法,以实现特定的功能、设计新的遗传线路,并利用基因重组等手段完成对现有系统的改造;基因回路的相关研究,包括简单基因电路构建、基因波动开关和振荡器的设计等;使能技术的发展,包括利用CRISPR/Cas系统进行多路基因组工程等;相关开发平台和数据库的研发,包括蛋白质数据库的算法、基因数据库的构建、基因组功能鉴定方法的研究等。
图2:合成生物学研究进展来源:火石创造根据相关文献整理
03研究成果与代表机构
从合成生物学领域的发明专利和研究论文情况来看, 2011年-2021年9月底我国合成生物学领域共有267篇有效专利和1220篇研究论文发表。通过统计我国有效专利数量,我国在合成生物学领域的技术发展呈增长态势。研究论文方面,在2017年达峰值,近几年呈下降趋势。
图3:2011-2021年Q3我国合成生物学专利发明与论文发表趋势(篇)来源:火石创造数据库
我国合成生物学研究机构中,以天津大学、中国医学科学院、中国科学院等机构为专利和论文产出的主力军,其余各地著名高校在专利和论文产出方面也发挥着重要作用。
表1:我国合成生物学主要研究机构
来源:火石创造数据库,截至2021年9月底
合成生物学领域近5年来成为投资热点,资本和市场的目光正在向合成生物的技术应用层面聚焦。2017-2018年历年融资数量和金额达到峰值,多家创新企业应运而生。国内合成生物学代表性企业如表2所示,主要集中在长三角地区、北京和深圳等地。
表2:国内合成生物学代表性企业
来源:根据公开资料整理,排名不分先后
04发展区域
在过去10年中,许多高校和科研机构在合成生物学领域都有实际举措,最为集中的是上海、深圳和天津。其中,深圳市近年来力推合成生物产业,在重大科技基础设施、研究机构、产业中心、教育、资本等环节进一步完善深圳合成生物学创新链产业链。
为深入贯彻深圳市委、市政府关于合成生物学的前瞻布局和工作部署,光明区于2021年10月发布了全国首个合成生物领域专项扶持政策《光明区关于支持合成生物创新链产业链融合发展的若干措施》,认定一批合成生物科技成果转移转化基地和科技创新产业园,大力支持合成生物战略科技力量建设、创新链建设、产业链建设、生态链建设,加快推动光明区合成生物创新链产业链融合发展,抢占全球生物技术与产业发展制高点。
表3:国内合成生物学代表性科研机构
来源:根据公开资料整理,排名不分先后
05未来展望
合成生物学将成为精准医学时代的主要支柱。未来,包括先进的基因组编辑、复杂基因网络的组装和计算机辅助设计在内的前沿技术的结合将把合成生物学推向下一个阶段。在细菌、酵母和哺乳动物细胞中设计具有高度复杂的相互连接的、与环境或细胞代谢相结合的合成基因回路和途径,将会提供前所未有的传感器处理和生产能力,为生物制药和细胞疗法带来新的机遇。
由于新冠疫情的流行,生物威胁和生物安全相关的概念正受到前所未有的关注和讨论,这也是我国合成生物学的重点研究的方向之一。
参考文献:
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