合成生物学: 从政策规划到产业发展- 大数跨境

科学出版社

2025-06-06

▋什么是合成生物学（synthetic biology）？

从字面上看，“合成生物学”由“合成”和“生物学”两个词组成。“合成”是指通过化学反应使成分比较简单的物质变成复杂的物质，与分解、置换并称化学反应的三种类型。20 世纪50 年代，在发现DNA 双螺旋结构之前，生物学研究大体是以还原论（reductionism）为主的思路展开：为了研究个体，解剖组成个体的器官，发展了解剖学；为了研究组织和器官，再研究组成各个组织和器官的细胞，发展了细胞生物学；为了研究细胞，再研究组成细胞的生物分子，发展了生物化学；为了解生物分子中可以传递遗传信息的成分，最终提出了DNA 双螺旋模型、“中心法则”等概念，发展了分子生物学。在这个研究过程中，还原论的思维与“分解”的思路是大体相似的。20 世纪70 年代，随着基因工程技术的发展，科学家得以将外源基因导入受体细胞。此时，生物学研究开始具备“置换”基因的能力，不过此时“置换”的主要还是天然存在的基因。21 世纪初发展起来的合成生物学，无论如何定义其范畴和内涵，它与基因工程的本质区别在于，导入受体细胞的基因或整个基因组不仅可以来源于天然生物体，还可以是人工合成的，甚至包括非天然存在的基因。

▲ 新兴基因组工程“设计-构建-测试-学习”的工作流

▋为什么要发展合成生物学？合成生物学会带来哪些变化？

如果把生物体的基因组比作“剧本”的话，合成生物学的发展意味着人们可以从头“编剧”。与之相比，利用基因工程，人们只能改写已有的“剧本”，而在此之前人们只能读“剧本”。在生物学领域，“读剧本”的主要手段便是基因测序，不过在20 世纪90 年代之前，即便是“读”的能力也极其有限——要对一个生物体的基因组进行完整测序难度很大。人类基因组计划实施后，基因测序的能力有了质的飞跃，人类“读剧本”的能力有了极大提升，“系统生物学”的概念应运而生。这时，人们不仅希望理解整个“剧本”，还希望理解完整的“剧集”。从这个视角来看，人们可能会发现“剧集”中有很多可优化之处，此时利用合成生物学的策略对其加以改进，或许会产生前所未有的解决方案。

▲ 合成生物学发展的技术驱动示例

▋为什么要写《合成生物学：从政策规划到产业发展》一书？

仍以“剧本”作类比，一部好的剧集会给人们带来精神收益，但是一部不良的剧集可能会带来负面的影响，因而需要建立审查制度。事实上，生命活动的复杂程度远超“剧集”——要高效创造能够解决医药、工业、农业、环境等领域重大难题的合成细胞并非易事，要精准评估新创造的细胞对自然环境、社会生活、国家安全等方面的影响也是难上加难。这就注定合成生物学的良性发展，需要在多方协同的社会环境中得以实现。因为生命活动的复杂性和特征性，合成生物学的工具和方法发展得越高效，政策规划的引导、科技创新的支撑、产业应用的推广、协同治理的保障的重要性就愈加凸显。在这种情境下，《合成生物学：从政策规划到产业发展》尝试从政策规划到产业发展这条“线”进行梳理，愿为进一步的交流分享“抛砖引玉”，也希望成为促进合成生物学及其交叉领域发展的“铺路石”。