合成生物学是一门综合学科，意在以传统生物学获得的知识和材料为基础，利用系统生物学的手段对其加以定量的解析，在工程学以及计算机的指导下设计新的生物系统或对原有生物系统进行深度改造。

　　　　合成生物学是近年来涌现的生物领域的重要交叉学科，广泛应用于用于工业、医疗、环境、国防等领域。近几年，合成生物学在理论和技术上取得了重大进展，并迅速开始向应用领域延伸，对医学研究和实践、药品和化学品绿色生物制造、环境监控和农业、国防和国家安全等领域产生了深远的影响。

　　　　合成生物学的发展历程如下：2002年，美国Wimmer实验室，使用已知基因组序列，利用化学合成的方法，制造了历史上第一个人工合成的病毒——脊髓灰质炎病毒，实现了人工合成感染性病毒。2003年，美国J.Craig Venter实验室合成了5.8×105碱基对的生殖道支原体(Mycoplasma genitalium)全基因组，首次实现了人工合成微生物基因组。2010年5月，J.Craig Venter实验室报道了首例“人造细胞”的诞生，并将其命名为“辛西娅”（意为“人造儿”）。他们利用化学方法合成基因组，将其植入一个去除原有遗传物质的单细胞细菌(山羊支原体)中，使这个受体细胞可以在实验室进行繁殖，使之成为“地球上第一个由人类制造的可以进行自我复制的新物种”，向人造生命形式迈出关键的一步。该研究颠覆了有关生命属性的经典认识，在全世界引起轰动。2010年12月，Science杂志将合成生物学评为年度十大科学突破之一。

　　　　除了人工设计和构建生命体，合成生物学的另一个主要研究方向为，利用现有的生物学基本原件，基于工程化的思路，把原本孤立的生物原件作为一个个电子元器件，利用类似搭积木的方式将一个个生物学原件，根据不同的需求进行拼接，利用标准化、可装配化、热插拔、高度适配的原件，设计和构建新的基因网络。2000年，美国波士顿大学生物医学工程教授James Collins创建了典型的基因回路(gene circuit)——基因双稳态回路；2014年美国麻省理工学院Domitilla Del Vecchio和Ron Weiss为降低不同原件的组合所带来的不确定性，引入了一种方法，可以实现对生物回路进行可靠预测。利用这一合成生物基因回路，可以检测环境里特定分子并做出相应的应答，该方法可以用于诊断癌细胞的存在，然后靶向释放杀死这些癌细胞的药物。

　　　　通过在基因组、转录组、代谢组和蛋白质组等不同层面的设计、调控和优化，可以生产出全新的药物、生物催化剂和生物燃料，实现对目标产物的高效合成和生产。在过去20年间，科学家利用合成生物学方法，调整模块中各种基因元件的表达，降低副产物，减少抑制物的累积，使用微生物细胞作为细胞工厂，最终实现了紫杉醇、香兰素、白藜芦醇、熊果苷、透明质酸、虾青素、灯盏花素、青蒿素等众多天然产物及其前体物质的人工从头合成。加州大学洛杉矶分校James C.Liao使用氨基酸合成途径中的丙酮酸转化为丙醇、正丁醇、2-甲基丁醇和3-甲基丁醇等长链醇，生产生物燃料。清华大学陈国强教授，利用微生物合成生物塑料PHA(聚羟基脂肪酸酯)，因其良好的生物降解性可以作为石油基塑料材料的替代，解决环境污染问题，同时也发现了生物相容性更好的PHA家族中的一种新的微生物材料——PHBHHx，用于开发软骨修复材料、神经导管、人工食道。

　　　　目前，我国科学家取得了十分令人鼓舞的成就。2017年3月10日，《科学》发表了关于人工合成酵母染色体的7篇专刊文章。该阶段性成果来自美国科学院院士杰夫·博克（JefBoeke）主导的国际科研项目——人工合成酵母基因Sc2.0，由美国、中国、英国、法国的团队完成。中国科学院院士、华大基因理事长杨焕明（与英国爱丁堡大学蔡毅之合作）、天津大学化工学院教授元英进、时任清华大学生命科学学院研究员戴俊彪分别以通讯作者身份发表4篇文章，成功人工合成单细胞真核生物酵母的4条染色体。

　　　　2018年8月2日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究合成生物学重点实验室覃重军研究团队及其合作者成果在《自然》（Nature）在线发表，将16条酵母染色体融合至1条，在国际上首次人工创建了单条染色体的真核细胞。

　　　　2018年11期《中国科学院院刊》策划组织了“合成生物学：回顾与展望”专刊，邀请张先恩先生作序，他说“合成生物学与新世纪同步，被认为是颠覆性生物科技、会聚技术、新一代生物技术（建物致用）、探索生命的新钥匙（建物致知），中国的合成生物学，正如蓬勃朝阳，蒸蒸日上”。

　　　　作为国家层面的支持，2018年国家重点研发计划“合成生物学重点专项”已经启动。有一个5年实施方案，预计财政投入23亿元（包括深圳市出资5亿元）。2018年度专项拟部署项目的国拨经费总概算为8.37亿元，围绕基因组人工合成与高版本底盘细胞、人工元器件与基因线路、人工细胞合成代谢与复杂生物系统、使能技术体系与生物安全评估等4个任务部署项目，这一举措保障了研究经费，助力中国合成生物学的发展。

　　　　2018年11月11日中国合成生物学专委会（筹）成立，将加强关键技术顶层设计，旨在推动我国合成生物学的基础研究和相关应用研究，探讨合成生物学研究发展方向、学科建设等关键问题。将有助于催生标志性的合成生物学基础研究原创成果，加强重大共性关键技术和方法体系的顶层设计，更好地衔接基础研究与应用转化。这一专业委员会的成立将会更好地促进合成生物学领域的发展。

　　　　近几年来，随着人类基因组研究的完成，分子生物学技术也不断完善，随着基因组研究向各学科的不断渗透，这些学科的进展达到了前所未有的高度。分子生物学也越来越广泛的应用在各个领域，在工业方面的应用近年来逐渐成为热点。

　　　　如工业上的应用热点主要包括酶制剂、工业用酶的生产、酶的定向改造等；食品工业方面，包括氨基酸、食品添加剂等的生产。在环境保护领域，可以利用分子生物技术对环境进行生物修复等。而在化学与能源工业方面，可通过基因工程修饰及重组DNA技术生产生物燃料及石油替代品等。

　　　　合成生物学的研究进展，已经在学术界和公众中产生了广泛影响。多个知名科学媒体和智库将合成生物学列为“将改变世界的科技之一”，对此我也深表赞同。

　　　　我认为，合成生物学首先是科学同时又具有生物制造的属性。生物制造在经历了两次技术革命后，“一个基因，一个产业”已经发展成为今天的生物技术战略性新兴产业。分子生物学的发展产生了基因操作技术。通过基因克隆、表达、修饰和转移，实现了各种高附加值的生物制品生产。而合成生物学从基因组合成到细胞的人工设计，完成单基因操作难以实现的任务，将极大地提升分子生物学未来的发展空间。作为新一代会聚技术，合成生物学正在催生第三代生物技术革命。（阳柳整理）

　　　　作者简介

　　　　李福利，研究员，中国科学院青岛生物能源与过程研究所分子微生物工程研究组负责人，山东省微生物学会理事，中国微生物学会国际工作委员会委员，中国科学院青岛生物能源与过程研究所学术委员会委员。

　　　　作为负责人或主要参与者承担国家863计划，国家自然科学基金重大项目及面上项目，省部级10余项科研项目。自2015年起任Frontiers in Biotechnology and Bioengineering编委；发表论文100余篇，SCI论文70余篇，包括本领域国际重要期刊《Appl Environ Microbiol》、《J Bacteriol》、《Biotechnol Biofuels》等，论文引用2145次(Google学术)，H因子23；申请发明专利11件，目前获得授权6件。受英国Caister Academic Press邀请，作为主编撰写《Thermophilic Microorganisms》专著。先后获第十届青岛市青年科技奖、山东省自然科学基金委员会杰出青年基金，首届“创业齐鲁共赢未来”高层次人才创业大赛优胜奖并获“泰山产业领军人才”入选资格。