常投格物·产研说（第9期 ）| 合成生物学系列（一）——合成生物学的定义和发展

图1：工程化模拟图（来源：网络）

该领域的发展始于1911年，“Synthetic biology”一词最早由法国物理化学家斯蒂芬·勒杜克在其所著的《生命的机理》（The Mechanism of Life）一书中首次提出，在该书中其试图利用物理学理论解释生物起源和进化规律，认为“构成生物体的是其形态”，并归纳为“合成生物学是对形状和结构的合成”。

与传统发酵使用天然菌种或酶相比，合成生物学的核心目标是利用基因工程、蛋白质工程、代谢工程和计算机模拟等技术进行生命设计与合成再造，以实现特定的功能或目的，这也被称为“第三次生物科技革命”。

注：其他两次生物科技革命是“发现DNA双螺旋”和“人类基因组计划”。

图2：合成生物学对传统发酵的影响（来源：深圳先进技术研究院）

图3：合成生物系统层级化结构示意图（来源：安信证券研究中心）

图4：合成生物学的研究内容（来源：安信证券研究中心）

进入21世纪后，合成生物学迎来迅速发展的时代，受到各国政府、学术界、产业界的高度关注。斯坦福教授Eric Kool在2000年对其重新定义为基于系统生物学的遗传工程，发展至今，大致可分为四个阶段：萌芽期、缓慢发展期、快速成长期和创新应用期。

▶萌芽期（2003年前）：代表成果有青蒿素前驱体—青蒿二烯在大肠杆菌中的合成等，开启了人造细胞工厂生产植物来源天然化合物的新时代。

▶缓慢发展期（2004~2007年）：代表成果有大肠杆菌中的光传感电路设计等。

▶快速成长期（2008~2013年）：产业化试水加速，少量公司有资本介入。代表成果有赛诺菲利用Amyris研发的酵母菌株大规模商业化生产青蒿素等。

▶创新应用期（2014年至今）：多学科融合，产业市场化进程加速。代表成果有人工合成酵母染色体、在酵母中生物合成药用托烷生物碱、设计出人工淀粉合成代谢通路等。

图5：合成生物学时间轴（来源：中国科学院，东吴证券研究所）

在我国香山科学会议2008年的会议上，首次讨论了合成生物的背景、进展和展望，2010年-2012年间，中科院与中国工程院、英国皇家学会与英国工程院、美国科学院与美国工程学院共同发起了“三国六院”系列会议，第一次会议主题为“发展合成生物学，迎接21世纪的挑战”。同时，在国家“973计划”的基础上，我国积极参与“三国六院”系列会议的主办，使国内的合成生物学较早步入发展轨道。

以合成生物学为指导，设计有机化学品的高效合成路线和人工生物体系，逐渐从天然生物的轻度修饰向全人工合成的生物或生命过渡，不仅可能高效利用原来不能利用的生物质资源，也有可能高效合成原来不能生物合成、或原来生物合成效率较低的产品。

相比传统化学工程，合成生物学将会：

①替代原有制造路线（化学合成或者天然提取），提高生产效率和经济效益；

②创造功效和安全性更好的药品食品、性能更优越的化学品或材料等；

③实现可持续的“循环”生产模式，使用可再生生物质原料，显著减少对化石燃料的依赖，更低碳经济。

根据WHO及中科院天津工业生物技术研究所统计，目前生物制造产品平均节能减排30%-50%，未来潜力将达到50%-70%。预计到2030年，生物制造每年可减少二氧化碳排放10亿至25亿吨。

合成生物学与化学工程对比