合成生物學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略

趙國屏

合成生物學(xué)的學(xué)科起源與發(fā)展歷程

2000年，庫爾（E. Kool）基于利用細(xì)菌基因元件構(gòu)建邏輯線路的工程科學(xué)研究突破，給予了“合成生物學(xué)”——這一在19世紀(jì)末由“合成化學(xué)”隱喻而首創(chuàng)的名詞，在20世紀(jì)中因“基因克隆”支撐而被賦予“人工合成生命”愿景的新興交叉學(xué)科——以工程科學(xué)理念研究生命科學(xué)的新定義。此后，合成生物學(xué)發(fā)展迅速，領(lǐng)域日益拓寬，而對這個學(xué)科的認(rèn)識，卻依然是“見仁見智”，極難統(tǒng)一。我們在系統(tǒng)梳理各種定義的基礎(chǔ)上，對2014年尤恩 ? 卡梅倫（Ewen Cameron）等提出的合成生物學(xué)定義進行了調(diào)整與補充：強調(diào)了工程學(xué)的“目的導(dǎo)向”，以及在“設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)”“自下而上”研究理念指導(dǎo)下的理論構(gòu)架與技術(shù)（工程）平臺；歸納出了既強調(diào)合成生物學(xué)本質(zhì)又反映現(xiàn)階段合成生物學(xué)全貌的一個定義，為進一步的分析奠定基礎(chǔ)。

這個定義是：合成生物學(xué)是在工程科學(xué)“自下而上”理念的指導(dǎo)下，以創(chuàng)建特定結(jié)構(gòu)功能的工程化生命為導(dǎo)向，綜合系統(tǒng)、合成、定量、計算與理論科學(xué)手段，以“設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)”的迭代研究認(rèn)識生命，創(chuàng)建特定結(jié)構(gòu)功能的工程化生命的理論架構(gòu)與方法體系。

合成生物學(xué)的核心科學(xué)基礎(chǔ)是它的工程科學(xué)內(nèi)涵；但在一定意義上，它又是生命科學(xué)與生物技術(shù)在基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ)上的延伸以及質(zhì)的飛躍。一方面，合成生物學(xué)將原有的以“模擬自然過程”和“遺傳工程改造”為基礎(chǔ)的生物技術(shù)上升到“定量理性設(shè)計”和“標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建測試”的高度，把生物工程、代謝工程推向?qū)ι^程的高效率、普適性的工程化研究的新高度，實現(xiàn)“建物致用”，即合成生物學(xué)的生物技術(shù)內(nèi)涵。另一方面，在全基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)基礎(chǔ)上創(chuàng)建工程化新生命體系，如人造生命、正交生命等，將為生命科學(xué)從整體到局部的“格物致知”“還原論”傳統(tǒng)研究策略，提供通過“從創(chuàng)造到理解”的嶄新的研究策略，開啟“建物致知”理解生命本質(zhì)的新思路，建立生命科學(xué)研究新范式，這就是合成生物學(xué)的生命科學(xué)內(nèi)涵。

上述內(nèi)涵的表述綜合闡明了決定合成生物學(xué)核心的“會聚特性”。也就是說，合成生物學(xué)會聚了自然科學(xué)的“發(fā)現(xiàn)能力”，工程學(xué)的“建造能力”，以及技術(shù)研發(fā)的“發(fā)明能力”；從而全面提升社會在科學(xué)、技術(shù)、工程乃至經(jīng)濟、文化、產(chǎn)業(yè)與生態(tài)的“創(chuàng)新能力”。由此已經(jīng)催生并將不斷推進生命科學(xué)領(lǐng)域正在發(fā)生的“會聚研究”的新一輪革命。

生物科學(xué)對“生命是什么？”這一人類每個文明體系都必須回答的哲學(xué)問題，與全人類健康生存繁衍、社會和諧發(fā)展密切相關(guān)的科學(xué)問題，以及與此關(guān)聯(lián)的現(xiàn)代社會和自然相互關(guān)系的經(jīng)濟與工程發(fā)展的技術(shù)問題，經(jīng)歷了千年而不懈的探索歷程。19世紀(jì)自然科學(xué)實現(xiàn)了從以系統(tǒng)觀察、描述、分類研究為基礎(chǔ)的動物學(xué)、植物學(xué)和微生物學(xué)，及以此為基礎(chǔ)的生物科學(xué)，向以假說驅(qū)動的實驗與分析為基礎(chǔ)的細(xì)胞學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)，及以此為基礎(chǔ)的生命科學(xué)的革命性轉(zhuǎn)型。20世紀(jì)中期生命科學(xué)迎來的“分子生物學(xué)革命”，與分子生物學(xué)共同發(fā)展起來的“基因克隆”“DNA測序”“定向突變”等技術(shù)，賦予了人類對基因“寫”“讀”“編”的操控能力，也由此促進了以“基因工程技術(shù)”為核心的新一代生物技術(shù)與生物工程的蓬勃發(fā)展。20世紀(jì)后半葉，人類對生命運動本質(zhì)的研究，由于“基因組學(xué)革命”而拓展到計算生物學(xué)、定量生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)等領(lǐng)域，最終迎來21世紀(jì)初“合成生物學(xué)”的產(chǎn)生——革命性突破的曙光。

合成生物學(xué)的科學(xué)意義與戰(zhàn)略價值

合成生物學(xué)的科學(xué)意義可以從催生生命科學(xué)的“會聚研究”范式、推動生物技術(shù)革命以及提升人類自身能力三個層次來看，核心是其“革命性”。合成生物學(xué)是會聚研究的典型代表；在多學(xué)科會聚和“大數(shù)據(jù)-人工智能”技術(shù)的大力推動下，合成生物學(xué)在應(yīng)用“設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)”反復(fù)迭代的工程科學(xué)研究策略中不斷強化系統(tǒng)定量的理念，驅(qū)動了“假設(shè)驅(qū)動”與“數(shù)據(jù)驅(qū)動”研究的結(jié)合，帶來了生命科學(xué)研究范式的轉(zhuǎn)變，推動了生物技術(shù)的革命；也為開發(fā)式研究和新知識體系的建立創(chuàng)造了條件，由此可能提升人類自身的能力，影響人類社會的發(fā)展。

合成生物學(xué)加速生物學(xué)向工程科學(xué)轉(zhuǎn)化，有可能為改善人類健康，解決資源、能源、環(huán)境等重大問題提供全新解決方案，帶來潛在的社會經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義。合成生物學(xué)目前已成為世界各國必爭的科技戰(zhàn)略高地，它也具有成為我國社會各行各業(yè)新增長點的戰(zhàn)略價值，包括在工業(yè)（含材料、能源）、醫(yī)療健康、農(nóng)業(yè)食品、環(huán)境保護與修復(fù)乃至國家安全（軍事）領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，合成生物學(xué)將為上述產(chǎn)業(yè)帶來跨越性乃至顛覆性發(fā)展的機遇。

合成生物學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀

合成生物學(xué)所具有的革命式、顛覆式創(chuàng)新潛力，已經(jīng)成為世界各國必爭的科技戰(zhàn)略高地，正在引發(fā)新一輪科技與產(chǎn)業(yè)國際競爭。

美國、英國、澳大利亞、歐盟等國家和地區(qū)不斷更新和發(fā)布相關(guān)的研究和技術(shù)路線圖，加大經(jīng)費投入并持續(xù)支持新的研究項目，建立合成生物學(xué)/工程生物學(xué)研究中心和平臺設(shè)施等。在巨大的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化努力背景下，合成生物學(xué)的應(yīng)用迅速向材料、能源等社會經(jīng)濟重要領(lǐng)域和醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品等人民健康相關(guān)領(lǐng)域拓展，正在形成一個新興的“產(chǎn)業(yè)方向”，甚至有可能形成新興的“投資生態(tài)圈”。合成生物學(xué)2021年全年總共完成近180億美元的融資，幾乎相當(dāng)于2009—2020年所有融資額的總和。而隨著新冠疫情的全球大流行，合成生物學(xué)在醫(yī)療健康領(lǐng)域、食品營養(yǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用也更加受資本青睞。

在我國，中央政府部門和科技界高度重視合成生物學(xué)的研究?！笆濉逼陂g，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）戰(zhàn)略布局了合成生物學(xué)的系統(tǒng)發(fā)展，并于2018年啟動首個國家重點研發(fā)計劃“合成生物學(xué)”重點專項。經(jīng)過多年發(fā)展，我國在合成生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究、平臺設(shè)施建設(shè)、國際交流合作等方面都取得了長足進步，不僅出現(xiàn)了“創(chuàng)造”世界首例單條染色體真核細(xì)胞、二氧化碳到淀粉的從頭合成等重大科技進展和突破，2020年以來我國的合成生物學(xué)初創(chuàng)公司更是迅速發(fā)展，投融資高度活躍。在取得顯著成績的同時，應(yīng)該看到，我國在合成生物學(xué)領(lǐng)域的底層創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化和科研生態(tài)等方面與國際領(lǐng)先水平還存在差距，尤其是核心基礎(chǔ)理論的突破和關(guān)鍵工程技術(shù)的創(chuàng)新有待提高，資源平臺和工具的研發(fā)及共享有待加強，促進“會聚”和“轉(zhuǎn)化”的激勵及評價等政策有待建立和完善。

合成生物學(xué)未來發(fā)展的重點技術(shù)

為充分把握合成生物學(xué)領(lǐng)域的國際發(fā)展態(tài)勢和國家戰(zhàn)略需求，需進一步明晰我國合成生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展思路、發(fā)展目標(biāo)、優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域及重要的研究方向。

合成生物學(xué)的核心科學(xué)問題，一方面是解答生命體系結(jié)構(gòu)相變加功能涌現(xiàn)的原理，另一方面是基于上述原理解決生命系統(tǒng)的理性設(shè)計與構(gòu)建的瓶頸問題。合成生物學(xué)的定量研究方法包括基于“定量表征+數(shù)理建?！钡陌紫淠Ｐ团c基于“自動化+人工智能”的黑箱模型。定量合成生物學(xué)有望推動基礎(chǔ)生命科學(xué)與合成生物學(xué)的雙重變革。

合成生物學(xué)的重點技術(shù)主題包括基因編輯、合成與組裝，設(shè)計技術(shù)，細(xì)胞工程，合成生物學(xué)先進分析技術(shù)，以及合成生物數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)智能分析與自動化實驗五個方向。

基因編輯、合成與組裝基因組編輯技術(shù)是合成生物學(xué)的一項核心使能技術(shù)。CRISPR基因組編輯技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域掀起了一場全新的技術(shù)革命，但目前CRISPR基因組編輯技術(shù)的性能尚有欠缺，智能設(shè)計、表達和遞送系統(tǒng)等技術(shù)還不能滿足醫(yī)療等應(yīng)用需求。未來基因組編輯技術(shù)的發(fā)展，一方面亟待開發(fā)更精準(zhǔn)、高效、全面和智能的CRISPR基因組編輯技術(shù)；另一方面需利用大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)，不斷開發(fā)全新的顛覆性基因組編輯技術(shù)。

DNA組裝技術(shù)是合成生物學(xué)的重要基礎(chǔ)。隨著對 DNA序列長度需求的增加，對DNA組裝技術(shù)也提出更高要求，尤其是快速發(fā)展的基因組設(shè)計合成領(lǐng)域，需要超大DNA片段的組裝技術(shù)的支撐。體外拼裝的片段大小雖然已可達幾百kb（kb為DNA的一個常用單位，指某段DNA分子中含有1 000個堿基對），但所得的量依然不足以進行后續(xù)實驗，在未來的研究過程中，需要開發(fā)更加高效的組裝方法。大尺度DNA分子組裝未來需要不斷提高組裝效率，降低其組裝成本并且拓展其組裝能力，開發(fā)新的分子生物學(xué)工具，突破長度更大、復(fù)雜程度更高的大DNA組裝技術(shù)等。

DNA信息存儲提供了一種新的存儲模式，但其在應(yīng)用方面仍面臨很多挑戰(zhàn)。未來發(fā)展需要從高效率高質(zhì)量直接“編”碼、低成本高通量信息“寫”入、穩(wěn)定高兼容性分子信息“存”儲、實時永久性信息穩(wěn)定“讀”取等方向?qū)崿F(xiàn)突破。隨著DNA信息存儲各個問題的逐步解決，或?qū)⒋蜷_全球海量數(shù)據(jù)存儲的新紀(jì)元。

設(shè)計技術(shù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測和功能設(shè)計致力于解決根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計序列以及根據(jù)功能設(shè)計結(jié)構(gòu)兩個重大問題，其終極目標(biāo)是利用計算機算法，設(shè)計具有所需功能且能夠折疊成特定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。未來一段時間，需要著重發(fā)展恰當(dāng)描述主鏈運動和更加精確描述側(cè)鏈構(gòu)象的表示方法，提高能量函數(shù)的準(zhǔn)確性和通用性，構(gòu)建高質(zhì)量蛋白質(zhì)標(biāo)注數(shù)據(jù)集，推進蛋白質(zhì)計算設(shè)計軟件的國產(chǎn)化，擺脫長期以來對國外軟件的依賴，構(gòu)建自主可控的蛋白質(zhì)計算設(shè)計平臺。

人工基因回路設(shè)計與構(gòu)建促進了人們對生命調(diào)控基本規(guī)律的認(rèn)識，豐富了對天然生物系統(tǒng)改造、從頭設(shè)計的手段。然而，人工基因回路與底盤細(xì)胞的各種相互作用，卻阻礙了人工設(shè)計生命系統(tǒng)復(fù)雜度的進一步提升。未來研究應(yīng)重點關(guān)注：拓展更加多樣的調(diào)控元件，開發(fā)基于轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等多層次的高通量技術(shù)，開發(fā)新型的全細(xì)胞模型，研發(fā)元件-宿主隔離技術(shù)和策略，開發(fā)植物和哺乳細(xì)胞等高等生物的基因線路移植和定量表征技術(shù)等。

生物合成途徑設(shè)計的發(fā)展，極大提升了生物合成途徑的挖掘效率以及微生物細(xì)胞工廠的優(yōu)化效率。隨著人工智能與機器學(xué)習(xí)等技術(shù)的進步，未來的生物合成途徑設(shè)計中需要構(gòu)建智能化信息更新、可共享的細(xì)胞代謝和酶催化數(shù)據(jù)資源庫，研究適用于生物逆合成預(yù)測的化合物結(jié)構(gòu)數(shù)字化描述方法，解析微生物細(xì)胞工廠在不同發(fā)酵環(huán)境下的組學(xué)規(guī)律，挖掘并整理與細(xì)胞相關(guān)的化合物毒性和轉(zhuǎn)運數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化完善細(xì)胞模型和代謝數(shù)據(jù)庫，開發(fā)高版本數(shù)字細(xì)胞模型與生物逆合成途徑算法等。

細(xì)胞工程無細(xì)胞系統(tǒng)未來發(fā)展中，需進一步優(yōu)化以提高效率、降低成本，同時提高生物大分子合成的個性化、多樣化、普適性和穩(wěn)定性；使用壽命需進一步延長，朝著能夠?qū)崿F(xiàn)自我復(fù)制的無細(xì)胞合成系統(tǒng)邁進。單細(xì)胞工廠未來需要開發(fā)通用性底盤細(xì)胞，以及高通量、自動化實驗技術(shù)，實現(xiàn)對細(xì)胞工廠的理性設(shè)計。微生物組工程應(yīng)重點發(fā)展微生物群落的原位編輯工具，開發(fā)微生物群落的精準(zhǔn)調(diào)控方法，理解合成微生物群落的設(shè)計原則，指導(dǎo)構(gòu)建可控、穩(wěn)定的微生物互作網(wǎng)絡(luò)，探索復(fù)雜微生物群落的基本科學(xué)規(guī)律，同時致力于解決人類健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的重要問題。非天然系統(tǒng)目前普遍存在翻譯效率低、正交性和兼容性差等核心瓶頸。未來研究的重點和難點應(yīng)針對翻譯系統(tǒng)中多種翻譯元件的系統(tǒng)性優(yōu)化改造乃至從頭設(shè)計，構(gòu)建具有多個空白密碼子的底盤細(xì)胞；針對翻譯工具和底盤細(xì)胞的相互適配原則的探索與優(yōu)化改造，以及結(jié)合這些研究內(nèi)容實現(xiàn)多種非天然氨基酸在基因組上同時編碼。

合成生物學(xué)先進分析技術(shù)多組學(xué)技術(shù)中，蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展將主要圍繞蛋白質(zhì)解析技術(shù)、新型蛋白質(zhì)修飾解析技術(shù)、定量蛋白質(zhì)組鑒定分析、超高分辨率解析技術(shù)等展開；代謝組學(xué)優(yōu)先發(fā)展的方向包括創(chuàng)新發(fā)展分析方法、拓展代謝研究的空間維度、建立代謝計算平臺等。單細(xì)胞技術(shù)作為一種細(xì)胞功能測試的新手段，需要重點拓展單細(xì)胞代謝表型組的應(yīng)用，開發(fā)“靶標(biāo)分子特異性”與“全景式表型測量”兼顧的單細(xì)胞光譜成像，實現(xiàn)單細(xì)胞“成像-分選-測序-培養(yǎng)-大數(shù)據(jù)”全流程的標(biāo)準(zhǔn)化、裝備化與智能化。傳感技術(shù)則需開發(fā)代謝物熒光傳感普適性技術(shù)、多參數(shù)單細(xì)胞代謝傳感技術(shù)、生物正交細(xì)胞代謝光遺傳學(xué)控制技術(shù)，以及全光型大規(guī)模多參數(shù)單細(xì)胞代謝表型分析技術(shù)?；铙w成像技術(shù)未來發(fā)展主要包括打破超分辨率成像的時空分辨率極限、實現(xiàn)多模態(tài)全景超分辨率成像、發(fā)展高通量超分辨率成像、攻關(guān)成像核心材料器件、深化深度學(xué)習(xí)顯微成像以及設(shè)計更好的新型成像探針。類器官芯片技術(shù)需構(gòu)建典型的類器官芯片系統(tǒng)，促進與多組學(xué)技術(shù)的深度融合，未來實現(xiàn)“類人”的生命模擬系統(tǒng)構(gòu)建，以及針對個體化的疾病風(fēng)險預(yù)測、藥物藥效評價、毒理評估和預(yù)后分析。

合成生物數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)智能分析與自動化實驗現(xiàn)有的合成生物數(shù)據(jù)庫/知識圖譜分散、內(nèi)容完整度差、缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如何構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化合成生物數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建全面、準(zhǔn)確的合成生物知識圖譜，是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。未來，在合成生物數(shù)據(jù)庫和知識圖譜方面，需要建立適應(yīng)大數(shù)據(jù)時代的新技術(shù)和資源體系，建設(shè)面向合成生物研究的數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)庫和知識圖譜等，用于合成生物大數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化存儲、共享和挖掘分析等；在數(shù)據(jù)智能分析方面，需要深度集成傳統(tǒng)生物信息技術(shù)與新型人工智能方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的“設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)”智能閉環(huán)，在系統(tǒng)建模、異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、智能設(shè)計與功能預(yù)測等方面實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破。

合成生物學(xué)未來的應(yīng)用領(lǐng)域

合成生物學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括低碳生物合成、合成生物能源、生物活性分子的人工合成及創(chuàng)新應(yīng)用、健康與醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)與食品、納米與材料、環(huán)境等七個方向。

低碳生物合成面向“雙碳”目標(biāo)與產(chǎn)業(yè)變革的重大需求，提高生物對能量的利用效率，需要在低碳生物合成的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面開展系統(tǒng)研究。面向2035年，需要圍繞兩個重大突破方面開展深入研究：①推動工業(yè)原料路線的代替，以CO2為工業(yè)原料，利用可再生能源，形成生物制造路線，實現(xiàn)工業(yè)綠色化；②推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，創(chuàng)造利用太陽能將CO2合成為有機物的“非高等植物”新途徑，推動“農(nóng)業(yè)工業(yè)化”。此外，應(yīng)嘗試建立以太陽能發(fā)電為主要能源輸入，以CO2為原料的有機物人工合成，形成封閉空間高效物質(zhì)循環(huán)供給模式。

合成生物能源合成生物能源面臨高昂生產(chǎn)成本和低廉產(chǎn)品價值之間的矛盾、巨大市場需求和較低技術(shù)成熟度之間的矛盾，這兩種矛盾是當(dāng)前合成生物能源技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。因此，需要研究生物發(fā)酵工藝優(yōu)化、智能發(fā)酵控制、發(fā)酵產(chǎn)品分離純化等，實現(xiàn)合成生物能源的高效低成本生產(chǎn)，從而在與石化能源的競爭中取得優(yōu)勢。未來需要優(yōu)先發(fā)展以下5個方向：纖維素生物燃料整合生物煉制系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)建、利用含碳?xì)怏w人工生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)制備生物燃料、生物甲烷高效轉(zhuǎn)化的多細(xì)胞體系設(shè)計構(gòu)建、高效生物產(chǎn)氫體系的設(shè)計組裝、便攜式與植入式生物燃料電池系統(tǒng)創(chuàng)制。

生物活性分子的人工合成及創(chuàng)新應(yīng)用合成生物學(xué)在天然產(chǎn)物研究領(lǐng)域的應(yīng)用，面臨著植物天然產(chǎn)物合成基因元件挖掘困難、工程化微生物的發(fā)酵產(chǎn)物市場準(zhǔn)入受限、新型天然產(chǎn)物實體庫的建立問題。在未來的發(fā)展中，需要開發(fā)從未知的基因簇出發(fā)，逐步建模蛋白結(jié)構(gòu)、推定蛋白功能、預(yù)測產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，最后通過結(jié)構(gòu)上的藥效官能團來預(yù)測新產(chǎn)物可能的生物活性的生物信息學(xué)算法或工具。同時，搭建統(tǒng)一的新型天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)文庫，對化合物進行系統(tǒng)且全面的生物活性或靶點的評估。

健康與醫(yī)藥在應(yīng)對傳染病方面，病毒性疾病新型研究體系、新型疫苗開發(fā)、治療性抗體設(shè)計等領(lǐng)域都取得了一定進展。未來的發(fā)展方向包括建立重要新發(fā)烈性病毒的研究體系，建立和完善針對病毒大類的基因組信息專用數(shù)據(jù)庫，從頭設(shè)計抗體分子，開發(fā)具有廣譜保護活性的T細(xì)胞多肽疫苗、包括RNA疫苗的新型核酸疫苗，開發(fā)個體生物反應(yīng)器、蛋白質(zhì)化學(xué)工廠等新技術(shù)。

在應(yīng)對重大慢性疾病方面，基于人工基因線路的定制細(xì)胞療法和基因治療推動了重大慢性疾病創(chuàng)新治療策略的發(fā)展。然而，目前基因線路定制細(xì)胞的設(shè)計與構(gòu)建主要依靠假設(shè)-試錯循環(huán)的經(jīng)驗性方法。如何設(shè)計與構(gòu)建智能化、自動化的定制細(xì)胞和基因線路以滿足不同實際應(yīng)用場景需求是目前亟待解決的瓶頸問題。未來的發(fā)展，將利用蛋白質(zhì)定向進化技術(shù)、人工智能化技術(shù)在解析底盤細(xì)胞生命活動分子機制的基礎(chǔ)上，設(shè)計動態(tài)化感知的智能化基因線路，有效保證癌癥、代謝疾病等治療的安全性、高效性和特異性。

農(nóng)業(yè)與食品農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)將為光合作用、生物固氮、生物抗逆、生物轉(zhuǎn)化和未來合成食品等世界性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難題提供革命性解決方案。未來將以人工高效光合、固氮和抗逆等領(lǐng)域為重點突破口，提出三個發(fā)展階段的戰(zhàn)略目標(biāo)。5年近期目標(biāo)是：創(chuàng)制新一代高效根際固氮微生物產(chǎn)品，在田間示范條件下替代化學(xué)氮肥25%；光合效率提升30%，生物量提升20%；模式植物耐受2%鹽濃度，農(nóng)作物耐受中度鹽堿化、耐旱節(jié)水15%。10年中期目標(biāo)是：擴大根瘤菌宿主范圍，構(gòu)建非豆科作物結(jié)瘤固氮的新體系，減少化學(xué)氮肥用量50%；光合效率提升30%，產(chǎn)量提升10%；農(nóng)作物耐受中度鹽堿化并增產(chǎn)5%~10%、耐旱節(jié)水20%。20年遠(yuǎn)期目標(biāo)是：在逆境條件下大幅度減少化學(xué)氮肥，光合效率提升50%，產(chǎn)量提升10%~20%。

合成生物學(xué)在食品領(lǐng)域應(yīng)用分為開發(fā)非主要營養(yǎng)成分和主要營養(yǎng)成分。非主要應(yīng)用成分的生產(chǎn)方面，利用合成生物技術(shù)生產(chǎn)維生素需要進一步提高產(chǎn)量、突破發(fā)酵工藝瓶頸，透明質(zhì)酸、母乳寡糖等的生產(chǎn)需要創(chuàng)建適合于食品工業(yè)的細(xì)胞工廠，動植物來源的功能性天然產(chǎn)物的生產(chǎn)亟待解決的問題是合成效率低下。主要營養(yǎng)成分方面，功能蛋白需要在質(zhì)構(gòu)仿真、營養(yǎng)優(yōu)化、風(fēng)味調(diào)節(jié)等方面實現(xiàn)突破，新植物資源食品的開發(fā)目前亟待研究的重點是營養(yǎng)、風(fēng)味和口感等多個方面的問題，利用二氧化碳、依靠光能或電能生產(chǎn)油脂也是重要的研究方向。

納米與材料合成生物學(xué)工程化的生物源納米材料已有諸多進展，但在臨床轉(zhuǎn)化方面還有很多亟待解決的難題。“仿生命體”雖然原料源充足，但其中一些納米材料的獲取方式還不具有工業(yè)生產(chǎn)的普適性，需要增強靶向效率、提高轉(zhuǎn)染率；“半生命體”材料能夠在體內(nèi)實現(xiàn)藥效，但在一定程度上也會引起機體的不適或引發(fā)新的毒副作用，未來需要監(jiān)控并糾正藥物在體內(nèi)的不正確狀態(tài)、提高藥物靶向性等；“類生命體”只模仿了生命體的一部分功能，投入到臨床使用的最大困難還是技術(shù)成熟度的問題。此外，未來不同生物源納米材料的量產(chǎn)模式和標(biāo)準(zhǔn)化獲取路線的建立，以及工程化優(yōu)化體系的建立等，都將推動該領(lǐng)域的廣泛臨床應(yīng)用。

合成生物技術(shù)在推進天然生物組分的異源表達生產(chǎn)、仿生功能材料的模塊化設(shè)計和功能“活”材料發(fā)展方面取得了重要進展。未來需要重點發(fā)展的方向主要包括在合成材料中重現(xiàn)天然生物材料的結(jié)構(gòu)和性能、新材料或模塊的發(fā)現(xiàn)、材料性能的定向進化、工程“活”材料的性能優(yōu)化、新材料的規(guī)模化生產(chǎn)，以及生物合成材料的生物安全問題等。

環(huán)境基于合成生物學(xué)的環(huán)境檢測與生物修復(fù)技術(shù)仍存在一些直接制約大規(guī)模實際應(yīng)用的瓶頸性問題，如應(yīng)用廣泛性、空間適應(yīng)性、生物安全性等問題。未來優(yōu)先發(fā)展方向包括生物傳感與環(huán)境檢測、污染物多靶點和細(xì)胞毒性評價、微生物改造和污染物生物降解、人工多細(xì)胞系統(tǒng)構(gòu)建和生物修復(fù)等。

對我國合成生物學(xué)發(fā)展的政策建議

為了實現(xiàn)我國合成生物學(xué)未來中長期發(fā)展目標(biāo)，充分發(fā)揮合成生物學(xué)的“賦能”潛質(zhì)，推動“生物技術(shù)革命”和“提升人類自身能力”，不僅需要重新審視現(xiàn)有的研究和開發(fā)體系，還迫切要求組織管理模式的變革以及創(chuàng)新生態(tài)的建設(shè)，從而保證資助機制和管理政策能夠與合成生物學(xué)的“會聚”特點及“賦能”潛質(zhì)相匹配。

研究開發(fā)體系與能力建設(shè)未來應(yīng)圍繞國家重大戰(zhàn)略需求，著眼未來國家競爭力，結(jié)合領(lǐng)域發(fā)展規(guī)律與趨勢，加強戰(zhàn)略謀劃和前瞻布局，通過制定國家中長期發(fā)展路線圖，有計劃、有步驟地開展科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)，既考慮全面、多層次的布局，也突出“高精尖缺”技術(shù)。重點支持能力建設(shè)，特別是支持合成生物學(xué)元件庫、數(shù)據(jù)庫，以及專業(yè)性、集成性、開放共享的工程技術(shù)平臺（包括基礎(chǔ)設(shè)施）建設(shè)和核心工具的研發(fā)。從我國合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求和目標(biāo)出發(fā)，建立和完善從工程平臺到產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的研發(fā)體系與資助保障機制，打通科技成果轉(zhuǎn)化的通道。同時，建立政產(chǎn)學(xué)研等多層次、綜合性的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，跨領(lǐng)域、跨部門合作的組織模式，以及開放與包容的文化，形成有利于“會聚”的生態(tài)系統(tǒng)。

綜合治理與科學(xué)傳播體系合成生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，直接帶來涉及開源共享與知識產(chǎn)權(quán)、市場準(zhǔn)入，以及倫理、生物安全（安保）等問題，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的管理模式和治理體系。首先，應(yīng)針對現(xiàn)有管理政策中存在的問題、漏洞和空白，開展長期的監(jiān)管科學(xué)和政策研究，明確相應(yīng)的主管部門，厘清責(zé)權(quán)，建立科學(xué)、理性、有效、可行的管理原則，制定研發(fā)、生產(chǎn)、上市等各環(huán)節(jié)的配套政策和規(guī)范體系。其次，需要從合成生物學(xué)的顛覆性特點出發(fā)，評估和研判其帶來的倫理、生物安全等方面的新風(fēng)險與新挑戰(zhàn)，建立風(fēng)險防范治理體系。最后，應(yīng)針對合成生物學(xué)科學(xué)傳播與公眾認(rèn)知/參與的影響因素和有效途徑等問題，建立合成生物學(xué)各級科普教育基地與科學(xué)傳播平臺，培養(yǎng)專業(yè)的合成生物學(xué)科普人才和傳播隊伍，促進合成生物學(xué)科技及其產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

教育與人才培養(yǎng)合成生物學(xué)的會聚發(fā)展，需要創(chuàng)新的教育和人才培養(yǎng)模式。一方面，要進一步加強合成生物學(xué)的學(xué)科建設(shè)，夯實多學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)；通過實施相關(guān)的教育計劃，逐步建立合成生物學(xué)的學(xué)科教育體系。另一方面，通過基地（平臺）建設(shè)與隊伍建設(shè)相結(jié)合，國家及地方的系列人才工程相結(jié)合，培養(yǎng)具備跨學(xué)科研發(fā)能力的人才隊伍。