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工业生物技术工业生物技术是指利用生物学和生物化学的原理和方法，应用于工业化生产的技术领域。
它通过利用微生物、酶、细胞等生物体的天然功能，实现生产过程的高效、可持续和环保。
工业生物技术已经在许多领域取得了显著的成就，对于推动经济发展、解决环境问题以及改善人类生活质量具有重要意义。
一、生物制药生物制药是工业生物技术的一个重要应用领域。
通过利用生物工程技术改造微生物、细胞等生物体，创造出大量的蛋白质药物，例如重组胰岛素、生长激素等。
与传统化学合成方法相比，生物制药具有高效、低成本、高纯度等优势，并且能够生产具有更好疗效和更少副作用的药物。
随着技术的进步和生物制药市场的不断扩大，工业生物技术在制药领域的应用前景非常广阔。
二、生物能源生物能源是解决能源资源短缺和环境污染问题的一条重要途径。
通过利用工业生物技术，可以将农作物、农业废弃物和木质纤维等生物质转化为生物燃料，例如生物柴油、生物乙醇等。
与传统的化石燃料相比，生物能源具有更低的碳排放和更高的可再生性，对于减少温室气体排放和保护环境具有重要意义。
此外，生物能源制造过程中产生的副产品还可以用于生物肥料和畜禽饲料的生产，实现资源的循环利用。
三、生物材料生物材料是指以生物大分子为基础制备的材料，具有生物相容性、可降解性和可塑性等特点。
通过工业生物技术，可以利用微生物或植物细胞表达、合成和改造蛋白质、多糖等大分子物质，从而开发出具有特殊功能的生物材料，如生物塑料、生物纺织品和生物医用材料等。
这些生物材料不仅具有良好的生物相容性，还能在减少对环境的损害和保护资源方面发挥积极作用，是可持续发展的重要组成部分。
四、生物检测生物检测是利用生物技术手段对生物体、细胞和分子等进行定量分析和监测的技术。
通过生物检测技术，可以检测和识别微生物污染、食品安全、环境污染以及疾病诊断等问题。
工业生物技术在生物检测领域的应用极为丰富，例如基于聚合酶链反应（PCR）的DNA检测技术、蛋白质芯片技术以及基因编辑技术等。
合成生物学技术革新传统工业发酵方式随着科学技术的不断发展，合成生物学技术作为一种革命性的生物学领域，对传统工业发酵方式带来了革新。
合成生物学技术结合了生物学、物理学和化学等多个学科的知识，通过合成和重构基因组的方式，改变了传统工业发酵方式的局限性，为产业和环境带来了巨大的益处。
传统工业发酵方式通常依赖于天然微生物的代谢能力，利用它们来生产化学物质、食品和能源等。
然而，传统发酵方式存在着诸多问题，如产物纯度低、反应速度慢、废弃物处理困难等，这些问题制约了工业发酵的进程。
而合成生物学技术则通过对微生物基因组进行重构和调控，实现了对微生物新陈代谢能力的改变，从而改进了传统工业发酵过程，并在多个领域取得了巨大的进展。
第一个革新是合成生物学技术改变了传统工业发酵的基础。
传统工业发酵主要依靠自然界中的微生物来完成代谢过程，但它们的代谢能力通常受到天然界条件的限制，不能满足工业生产的需求。
合成生物学技术可以通过工程化的手段改变微生物的代谢途径，使其获得更高的产物产率和选择性，进而提高工业生产的效率和质量。
例如，通过插入外源基因或关闭内源基因，研究人员可以改变微生物的代谢途径，使其产生更多特定的化合物，如药物、化工品和燃料等。
第二个革新是合成生物学技术推动了新型微生物的研发。
合成生物学技术利用基因组工程和化学合成的手段，创造了许多新型微生物，这些微生物具有比传统菌株更高的生产能力和抗逆能力。
例如，合成生物学技术成功构建出了一系列耐高温、耐酸碱和耐毒性物质的微生物菌株，它们在传统的发酵工艺中表现出更好的适应性和生产性能。
这些新型微生物的研发不仅拓宽了工业发酵的应用领域，还提高了发酵产品的质量和可持续性。
第三个革新是合成生物学技术拓展了工业发酵的底物范围。
传统工业发酵通常依赖于可再生资源，如农作物秸秆、木材和废弃物等。
然而，这些资源往往有限，并不适合大规模的工业生产。
合成生物学技术可以利用不可再生资源，如石油和天然气，通过基因重组和代谢工程改变微生物的代谢通路，使其能够利用这些资源进行发酵生产。
合成生物学的原理与应用随着科技的不断发展，生物学也在不断地更新和变革，合成生物学就是其中一种新兴的学科。
合成生物学是一门专注于研究和设计人造生物系统的生物学学科，它将生物学、工程学和计算机科学等多个领域的知识结合在一起，以实现人造生物系统的设计和优化。
本文将介绍合成生物学的原理、应用和发展前景。
一、合成生物学的原理1. 基因编辑技术合成生物学的核心技术是基因编辑技术。
基因编辑技术是指通过对DNA序列进行编辑和修饰，达到特定的生物目的的一种技术。
包括CRISPR/Cas9和TALENs两种主流技术。
其中，CRISPR/Cas9技术是简便、高效、经济、易于操作和广泛适用的基因编辑技术，因此在合成生物学领域中得到了广泛应用。
2. 合成生物学的基本操作合成生物学的基本操作包括基因合成、基因组组装和基因插入等。
其中，基因合成是指通过化学合成的方式，将所需的基因进行人工合成，不限于天然产生的基因片段，可以任意调配组装，实现生物表型的人为设计；基因组组装是针对一整个基因组而言，将其拆分成较小的DNA片段，通过化学合成的方式进行组装；基因插入是指将已合成的人造基因片段插入到宿主生物的染色体中，从而实现生物表型的人为调控和改善。
二、合成生物学的应用1. 合成生物学在医学领域的应用合成生物学在医学领域的应用重点在于基因治疗和蛋白质生产。
基因治疗是指通过涉及基因的方法，治疗某些遗传性疾病，如糖尿病、癌症等。
而蛋白质生产是指利用基因工程技术，生产人类需要的某些特定蛋白质，如抗体、肝素等。
2. 合成生物学在环境保护领域的应用合成生物学在环境保护领域的应用主要是利用基因编辑技术和合成基因片段，对一些破坏环境的细菌、病毒和杂草进行全基因组编辑，实现对环境污染源的治理和控制。
3. 合成生物学在工业领域的应用合成生物学在工业领域的应用主要是针对生物技术和生物制药两个方面。
例如，通过合成的基因片段，生产人造染料、食品添加剂和新型工业酶等，实现工业化生产。
合成生物学在发酵工业中的应用随着科学技术的不断进步，生物技术被越来越广泛地应用在工业中。
其中，合成生物学作为生物技术的一个分支，在对生物系统进行精准控制和调节方面有着重要的作用。
在发酵工业中，合成生物学被广泛应用，能够大幅提高生产效率和产品质量。
发酵工业是指利用微生物或者细胞进行化学反应的工业措施，是现代化学工业的重要组成部分。
发酵工艺的发展与优化，往往借助生物技术手段，尤其是合成生物学技术。
合成生物学的一个重要特点是以基因组学为基础，利用系统生物学的方法来重新设计微生物或者细胞，实现对微生物或细胞的功能和性质进行精准调控，以期达到预期的生产目的。
合成生物学的应用于发酵工业可以带来以下优势：增加产量在传统发酵工艺中，微生物的生长和代谢过程受很多因素的影响，比如培养条件的不稳定性、菌株的变异性、代谢产物的毒性等等。
而通过整合基因组和代谢物的组学信息，结合工程学方法，可以设计和构建新型微生物或者细胞，使其具有更高的代谢能力和更高的产物收率。
比如，在传统的乳酸菌发酵过程中，乳酸生产工艺往往受到反应物质的混合度、pH值和温度等多种因素的影响，从而使得乳酸产量不稳定。
利用合成生物学的技术手段，可以设计和构建出表达更高水平的乳酸代谢酶的新型菌株，以提高乳酸的产量。
改善产物纯度在传统的工业生产中，微生物合成产物往往伴随着其他的代谢产物和不同程度的污染物质。
而通过合成生物学的技术，可以实现对代谢途径和产物选择性的精准调控，以意愿的方向引导微生物的代谢行为，使其合成特定的目标产物，同时减少产物的副产品形成。
举例来说，在乙醇工业生产中，微生物通常不仅仅合成乙醇，也会同时合成其他代谢产物。
利用合成生物学的技术，可以重构乙醇产生途径，限制其他代谢产物的生产，以提高乙醇的产量和纯度。
提高工业化应用效率传统的发酵工艺长期存在的问题是其复杂性。
微生物的代谢途径和代谢产物易受外在环境因素影响，并且受到微生物自身因素的限制。
而合成生物学技术可以实现微生物代谢途径和代谢产物的精准设计和组装，从而对微生物代谢过程进行更好的控制。
合成生物学工业化生产1. 引言1.1 什么是合成生物学合成生物学是一门融合了生物学、工程学和设计思维的新兴学科。
它致力于通过重新设计和重组生物体内的基因组，创造出新的生物体或改良现有生物体，从而实现特定的功能或产物。
合成生物学的理念是将生物体视为工程系统，通过精确地设计和控制基因组的组成和表达，来实现人们所需的生产目的。
在合成生物学的范畴内，科学家们可以设计并构建出一系列具有特定功能的生物系统，比如用于合成药物的微生物、用于分解环境污染物的植物、或者用于生产生物燃料的微生物等。
这种基因组的重新设计和生物体的重组，可以加速生物合成过程，提高生产效率，从而为工业化生产带来了巨大的潜力。
合成生物学是一种革命性的生物技术，它正逐渐改变着传统工业生产的方式。
通过合成生物学技术，人类能够更加精确地控制和利用生物体的生产功能，实现工业生产过程的可持续性和高效性。
合成生物学的发展不仅将会推动工业生产的进步，也将对医药、能源、食品等领域带来深远的影响。
1.2 工业化生产的意义工业化生产是指通过现代科技手段，大规模生产商品和服务的一种生产方式。
在当今社会，工业化生产已经成为现代经济的重要组成部分，对于推动经济增长、提高生产效率、满足人们对商品和服务的需求起着至关重要的作用。
工业化生产的意义在于能够实现规模化生产，大大降低生产成本，提高生产效率，从而使产品更加便宜和普及，满足大众的需求。
工业化生产还能够创造更多的就业机会，提高国民收入水平，促进经济发展。
工业化生产还有助于推动科技创新和产业升级。
通过不断引入新技术、新设备，不断改进生产工艺，可以提高产品质量和技术含量，提升企业竞争力，推动产业结构升级，实现经济可持续发展。
2. 正文2.1 合成生物学在工业化生产中的应用1. 生物材料生产：合成生物学技术可以被应用于生产生物材料，如生物塑料、纤维素等。
通过设计合成具有特定功能的微生物，可以实现对生物材料的生产过程的精准控制，提高生产效率同时减少对环境的影响。
合成生物学在工业化学品生产中的应用
合成生物学是一种新兴的综合学科，旨在利用分子生物学、合成化学和系统生物学的知识和技术，构建全新的生物系统，以实现特定的功能。
在工业化学品生产中，合成生物学已经得到广泛应用，主要表现在以下几个方面：
1. 生物催化工业生产：生物催化是一种利用酶催化反应加速化学反应速率的方法。
利用合成生物学的技术，在工业化学品生产中可以通过改变酶的一些基因，从而得到具有更高效催化活性的酶。
2. 代谢工程：代谢工程是合成生物学的一个重要领域，旨在通过改变微生物的代谢途径、增加产品产量和改善产品质量。
利用代谢工程技术，可以大规模生产各种工业化学品，如乙醇、酸和碱等。
3. 生物合成：生物合成是一种利用细胞代谢产生的能量和原材料从简单物质合成复杂化合物的方法。
利用合成生物学的技术，可以将自然产生的生物物质转化为工业化学品，如生物塑料、生物染料等。
4. 代谢设计：通过设计和改变微生物的代谢通路，使其能够从常见的有机废弃物中生产出高价值化学品。
这种方法可以将有害的废弃物转化为有用的产物，同时也有利于环境保护。
综上所述，合成生物学在工业化学品生产中的应用已经渗透到各个领域，具有广阔的应用前景。
合成生物学改造微生物提高工业产量合成生物学是一门交叉学科，综合了生物学、工程学和计算机科学的原理和技术，并旨在设计、构建和优化具有特定功能的生物系统。
在工业生产中，合成生物学技术已经被广泛应用于改造微生物，以提高工业产量。
微生物是工业生产中的重要工具，因为它们具有高效的代谢能力和快速繁殖的特点。
通过对微生物进行合成生物学改造，可以提高其代谢能力、优化代谢途径，进而增加工业产量。
下面将介绍一些常见的合成生物学应用案例。
首先，通过合成生物学改造微生物来提高酶的产量。
酶在许多工业过程中起到催化剂的作用，可以提高反应速率和产物纯度。
通过合成生物学的方法，可以将酶的基因序列引入微生物中，使其能够大量表达酶。
此外，还可以通过优化基因序列、改造代谢途径等手段，提高酶的稳定性和活性，从而进一步提高工业产量。
其次，合成生物学可以用于改造合成代谢途径，从而提高化合物的产量。
许多工业化合物需要通过复杂的生物合成途径来合成，而这些途径在自然界中并不高效。
通过合成生物学的方法，可以对代谢途径进行精确的改造，去除不必要的步骤和中间产物，优化关键酶的活性和表达水平，从而提高目标化合物的产量。
此外，合成生物学还可以用于调控微生物的生长和代谢。
在工业生产中，微生物的生长和代谢状态对产量有着重要影响。
通过合成生物学的方法，可以设计并构建微生物的势态网络，实现对微生物的精确调控。
例如，可以通过设计反馈回路来调节代谢途径中关键酶的表达水平，使微生物在适宜的生长和代谢状态下更好地完成工业生产任务。
此外，合成生物学还可以利用微生物之间的协同作用来提高产量。
微生物种类繁多，每种微生物具有不同的代谢能力和特性。
通过将不同微生物相互耦合，可以实现互补优势、协同作用，从而提高工业产量。
例如，可以构建多种微生物的共同代谢网络，利用它们之间的协同作用来提高产物的合成效率。
综上所述，合成生物学在微生物改造中发挥着重要作用，可以通过调控酶的产量、优化代谢途径、精确调控微生物的生长和代谢状态以及利用微生物之间的协同作用来提高工业产量。
生物技术的未来发展方向生物技术是一种综合性技术，是基于生物学和化学原理的技术手段，可以应用于医疗、农业、工业等领域。
目前，生物技术的应用范围正在不断扩大，同时也面临着一些挑战。
未来，生物技术的发展方向将会如何？本文将探讨这个话题。
一、基因编辑技术基因编辑技术是目前生物技术领域最为热门的技术之一。
它可以对基因进行精准修饰，实现人为改变基因组。
这项技术的研究起源于20世纪80年代，而近年来，随着CRISPR-Cas9技术的不断突破，基因编辑技术的应用前景也越来越广阔。
未来，基因编辑技术将会进一步扩大其应用范围，不仅仅局限于基础科学研究，还可以应用于医疗、农业、生态环保等多个领域。
例如，基因编辑技术可以用于培育高产量、高营养价值、耐逆性强的作物品种，同时也可以用于植物、动物、微生物等生物的基因修饰，帮助人类解决食品安全、能源短缺、环境污染等问题。
当然，与之伴随而来的道德、伦理等问题也需要内外部专家进行深入思考与讨论。
二、单细胞技术单细胞技术是生物技术领域的又一热门方向。
它是指将单个细胞进行分离、检测和研究的技术手段。
这些细胞可以是人体细胞、微生物、植物细胞等，可以被用来研究细胞间的相互作用、个体细胞的特异性以及其在疾病发生发展中的作用等。
未来，单细胞技术的应用范围将会更加广泛，例如：可以用于肿瘤细胞分离、干细胞研究、免疫学研究等领域。
同时，单细胞技术也可以被运用于老龄化、心脑血管等疾病的研究中。
它能够对细胞的分子层面、表达水平、遗传信息等进行深入研究和分析，为治疗疾病、改善生命质量提供更多可能性。
三、合成生物学合成生物学是将合成、改造与设计技术应用于生物体系的一种新兴学科。
它旨在通过对生命系统的“重新设计”，利用一系列的生物信息和生物合成能力，设计、合成和构造能够实现某种计划性任务的新型生物体系。
合成生物学的首要目标是开发出一些能够生产特定分子或执行特定功能的生物系统，并推广到更广泛的应用领域。
未来，合成生物学将会成为新型材料合成、药物研发、环境治理等领域的重要技术手段。
八大重点领域合成生物学
合成生物学是近年来迅速发展的一项生物技术，它通过对生物体的基因进行改造和设计，实现对生物体的功能和性状进行调控。
在我国，合成生物学在以下八个重点领域取得了显著成果：1.药物研发：通过合成生物学技术，研究人员可以快速筛选和制备具有特定功能的生物药物，从而为治疗各种疾病提供新的手段。
2.生物能源：利用合成生物学方法，我国科学家成功研发出一种高效产油微生物，有望为实现能源自主和减少对化石燃料的依赖做出贡献。
3.生物材料：合成生物学技术在生物材料领域也有广泛应用，如通过基因编辑手段制备具有特定功能的生物材料，用于医疗、环保等领域。
4.农业：通过合成生物学方法改良作物，提高抗病、抗虫、抗旱等性状，有助于提高农业产量，保障粮食安全。
5.环境保护：合成生物学技术在环境保护领域也具有重要意义，如利用基因工程菌降解环境中的有毒物质，减轻污染。
6.生物计算：合成生物学为生物计算提供了新的思路和方法，通过构建具有特定功能的生物电路，实现对生物信息的处理和分析。
7.工业生产：合成生物学技术在工业生产中具有广泛应用，如
利用基因工程菌生产抗生素、氨基酸等化学品，降低生产成本。
8.食品安全：通过合成生物学方法，可以研发出具有高效降解食品中有害物质的能力的微生物，保障食品安全。
总之，在我国政府的大力支持下，合成生物学在各领域的应用取得了丰硕成果，为国家的经济发展和民生改善做出了积极贡献。
工业生物技术研究现状及发展趋势工业生物技术是指利用生物学的原理和方法在工业生产过程中进行改良和创新的技术领域。
它涉及生物工程、生物化学、微生物学等多个学科，是综合应用科学。
工业生物技术已经成为现代生物技术的一个重要分支，对于实现可持续发展和绿色生产具有重要意义。
下面将从研究现状和发展趋势两方面进行分析。
首先，工业生物技术的研究现状。
目前，工业生物技术的研究重点主要有以下几个方面：1.微生物的筛选和改良。
微生物在工业生物技术中起着重要作用，如酶的生产、生物质能源的开发利用等。
目前研究人员正在开展对微生物的筛选和改良工作，以获得更高效、更稳定、更适应工业生产的微生物菌种。
2.酶的工程改造。
酶是工业生物技术中的重要工具，用于催化工业生产中的化学反应。
目前，研究人员通过DNA重组技术等手段对酶进行改造，以获得更活性、更稳定、更易于大规模生产的酶。
3.生物质转化技术的研究。
生物质作为一种可再生资源，可以通过生物技术转化为能源和化学品。
目前研究人员正在探索生物质转化技术，以提高生物质的利用效率和产品质量。
4.环境治理和资源回收利用。
工业生物技术在环境治理和资源回收利用方面具有重要的应用潜力。
目前研究人员正在开发利用生物技术处理废水、废气等产生的污染物，实现资源的循环利用。
接下来，是工业生物技术的发展趋势。
随着科学技术的不断进步和人们对可持续发展和绿色生产的需求，工业生物技术将会有以下发展趋势：1.新型微生物的发现和应用。
随着对微生物的研究和认识的不断深入，将会有新型微生物被发现和应用于工业生产中，提高生产效率和产品质量。
2.高通量筛选技术的应用。
高通量筛选技术可以快速筛选和鉴定出具有特定功能的微生物菌株、酶和代谢产物等，为工业生产提供更多选择。
3.合成生物学的发展。
合成生物学是一门综合多学科的交叉学科，它可以通过对生物系统的全面理解和改造，创造出新的生物体和生物过程。
合成生物学的发展将推动工业生物技术的创新和进步。
合成生物学与工业生物技术◆杨 琛 姜卫红 杨 晟 赵国屏中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所,上海200032收稿日期:200928210 修回日期:200929227联系作者:姜卫红,研究员,whjiang@sibs .ac .cn 。
摘 要 合成生物学是近年来发展起来的新兴学科,因其具有重要的研究意义和巨大的应用开发潜力而备受关注,发展极为迅速。
本文对合成生物学的国内外研究概况、发展方向及其对工业生物技术领域的推动作用进行了概述。
关键词:合成生物学 工业生物技术中图分类号:Q812 文献标识码:A 文章编号:100922412(2009)0520038203 近年来,系统生物学理论与工程生物技术的发展使得合成生物学这一新兴研究领域应运而生,并取得重要进展。
合成生物学是在基因组技术为核心的生物技术基础上,以系统生物学思想为指导,综合生物化学、生物物理和生物信息技术,利用基因和基因组的基本要素及其组合,设计、改造、重建或制造生物分子、生物体部件、生物反应系统、代谢途径与过程乃至具有生命活力的细胞和生物个体。
合成生物学研究既是生命科学和生物技术在分子生物学和基因工程水平上的自然延伸,又是在系统生物学和基因组综合工程技术层次上的整合性发展。
其主要目标,一方面是希望可以根据人类的意愿从头设计,合成新的生命过程或生命体;另一方面,是利用合成生物学的方法,将“综合、整体”的思路真正引入现代工业生物技术和生物医学等领域,通过对现有生物体的有目标的改造,以有助于解决人类发展面临的若干重大挑战,譬如合成新医药材料和新药品、生产生物燃料、清理有毒废物、减少二氧化碳排放等。
因此,合成生物学具有重要的研究意义和巨大的应用开发潜力。
一、国内外研究概况 合成生物学首先被应用在天然药物的生物合成、生物能源和生物基化学品领域,如:美国杜邦公司利用大肠杆菌合成了重要的工业原料1,32丙二醇;L iao 等在大肠杆菌中重构了异丁醇产生途径[1];2006年,美国加州大学Berkeley 分校的Keasling 实验室将多个青蒿素生物合成基因导入酵母菌中产生了青蒿酸,并通过对代谢途径(网络)不断改造和优化,使产量实现了若干数量级的提高,具有了工业生产的潜力[2],该重要进展是合成生物学在工业应用中的一个标志性突破。
近年来,利用人工化学合成的手段合成生物遗传物质的研究进展非常迅速。
2002年,美国W i m mer 实验室首次化学合成了脊髓灰质炎病毒的c DNA ,并反转录成有感染活性的病毒RNA ,开辟了利用已知基因组序列,不需要天然模板,从化学单体合成感染性病毒的道路[3]。
2008年Venter 实验室合成了有582970个碱基对的生殖道支原体(M ycoplas m a gen i 2ta lium )全基因组[4]。
为了突出这是人工合成的基因组,他们在基因组的多处插入了“水印”序列。
至此,人工化学合成病毒和细菌基因组均已实现,这为运用合成生物学方法改造、构建新型细菌,以合成目标产物、降解有害物质等方面开辟了新的途径。
目前,美国约有20个实验室从事生命系统设计和合成生物学相关的研究,主要包括开发特殊和通用的标准合成元件、反向工程和重新设计已知的生物部件、发展设计方法和工具以及人工重新合成简单的微生物等。
从2004年开始,每年召开合成和系统生物学的会议,促进了交流与合作,推动了这个新兴学科的迅速发展。
欧盟国家中的剑桥大学和苏黎世大学的两个实验室也在开展合成生物学研究,目前正积极呼吁更多的实验室参与同美国的竞争。
我国科学工作者自20世纪70年代以来大力推进基因工程、蛋白质工程和代谢工程等技术的发展。
近10年,又启动了基因组和生物信息的研究以及系统生物学的研究工作。
因此,我们有条件及时进入合成生物学的研究领域,发展合成生物学技术,服务于我国生命科学和社会经济的发展。
但是,如上所述,合成生物学并非简单的生物技术或生物工程的延伸,它需要有集中的、系统的和特色的研究与发展。
迄今为止,由于资源分散、理论创新和技术整合不足,我国尚无系统的合成生物学研究,长期以来也缺乏专门从事合成生物学研究的实验室,真正意义上的合成生物学研究基本上尚处于起步阶段。
二、研究方向及应用前景 鉴于合成生物学的研究意义和创新理念,将之与工业生物技术研究的基础问题相结合,一定会产生重要的研究成果。
建议将合成生物学研究列入国家科技发展的规划,以发展新兴学科“合成生物学”的理论和方法为主要研究方向,建立合成生物学的关键技术平台,针对我国在能源、环境、健康等方面面临的需求与挑战,聚焦生物能源、医药和绿色化工等有国家重大需求的工业生物体系,在分子和细胞等层次上,实施合成生物学的研究与技术开发。
1.发展合成生物学的基础理论 以系统生物学思想指导合成生物学理论发展。
建立生物功能元件的分析与测试技术,包括结构元件和调控元件;鉴定(包括发现和整合)生物体(体系)功能模块、分子元件(组件资源),研究对其发挥作用起决定作用的基因组组分结构及其调控机理(组件调控和被调控的定量信息及机理计算)。
研究并进而设计和建造具有生物学功能的元件或反应系统、装置和网络,多元件组成的功能单位及其更高级复杂系统的组装等。
尝试利用合成生物学方法,以“综合、整体”的思路,研究现代工业生物技术领域的若干难题。
2.建立合成生物学的基本技术 开发建立合成生物学所需要的核心工程技术,主要包括: (1)建立微量、高并行和高保真的大片段DNA 设计和合成技术,建立优化核酸编码、生物系统工作元件和生物系统调控元件技术,建立新生物功能元件设计制造技术。
(2)建立从单基因到代谢途径的基因全合成及应用的综合生化技术,包括大片段DNA的合成及在体外和体内的拼接、超级宿主细胞的构建、异源基因的高效可控表达等技术,实现技术整合。
(3)发展体外蛋白质(从简单do main到复杂复合物)的结构和活力检测技术和蛋白质人工改造的工程技术,建立蛋白质体外人工生物合成体系,并建立相关的平行化、高通量技术体系。
(4)构建代谢网络和调控网络的系统检测和分析、设计技术,逐步发展、改造和设计体内构建系统,基于基因组数据库构建跨物种的生物合成路线数据库,建立合成路线设计软件等。
3.以重要产品为目标的合成生物学设计和改造 针对我国在能源、环境、健康等方面面临的需求与挑战(如生物能源、重要代谢产品与生物基产品等),聚焦若干重要的工业生物体系,在分子和细胞等层次上,实施合成生物学的研究与技术开发。
(1)基于合成生物学的重大药物设计———针对重要抗肿瘤新药和生物农药,人工全合成或半合成抗生素的生物合成基因簇,构建超级宿主细胞,实现异源基因的高效、可控表达。
(2)基于合成生物学的能源产品设计———针对重要生物燃料、生物能源产品(如丁醇、氢),以能够利用廉价原料或高耐受性微生物作为生物燃料生产的宿主菌株,导入生物燃料的合成途径,获得能够高效利用木质纤维素热化学裂解产物的生物燃料生产菌株,实现生物燃料的高浓度生产,降低其发酵的生产成本。
(3)基于合成生物学的分子机器设计和合成———综合高能量、高灵敏度的筛选以及比较基因组学、酶学、结构生物学、基因工程和蛋白质工程的理论和技术,引入研究蛋白质与配体相互作用的技术,通过设计、改造和合成获得高催化活性和高稳定性的重要工业用酶(如纤维素酶)。
总之,部署合成生物学研究的举措既面向战略前沿,使我国科技在系统生物学和生物技术研究的国际竞争中掌握主动;又面向我国社会可持续发展所面临的挑战,针对国家重大需求和迫切需要研究的重大课题组织攻关,以保证不断开辟新技术,实现生物产品的重点突破。
致谢 感谢中科院合成生物学重点实验室覃重军、李来庚、周志华、张鹏、张毅、李平作等研究员以及中国科学技术大学施蕴瑜院士、刘海燕和洪炯等老师的修改与建议。
参考文献[1]A tsum i S,Hanai T,L iao J C.Non2fer mentative pathways for synthe2sis of branched2chain higher alcohols as bi ofuels.Nature,2008, 451:86—90(下转第37页)re markable achieve ments during last five years,and es2 tablished key p r ocess and technol ogy p latf or m f or the ef2 ficient conversi on of lignocellul ose taking stra w for rep2 resentati on.Ho wever,breakthr oughs in the funda men2 tal issues that hinder the bi omass fr om becom ing general ra w material are still needed in order t o gain advantages in the gl obal bi omass econom ic competiti on.This arti2 cle,analyzed the features and main p r oble m s of p resent bi omass industry,and put for ward the ne w concep t of bi omass material refining p r ocesses that p reserve and u2 tilize the original structure and functi on.It was p r o2posed that the concep t of material refining should be up2 graded fr om fracti onati on2conversi on t o selective struc2 ture separati on based on the structural characteristics of ra w material and functi onal demands of p r oducts.This article als o clarified the key scientific issues of bi omass refining p r ocess f or making bi omass becom ing general ra w material of the next generati on bi ol ogical and che m2 ical industries.Keywords:bi o mass industry;bi o mass material refi2 ning;p retreat m ent;fracti onati on;selective structure separati on(上接第39页)[2]Ro D K,Paradise E M,Ouellet M,Fisher K J,Ne wman K L,Nd2ungu J M,Ho K A,Eachus R A,Ha m T S,Kirby J,Chang M C, W ithers S T,Shiba Y,Sar pong R,Keasling J D.Pr oducti on of the anti m alarial drug p recurs or artem isinic acid in engineered yeast.Na2 ture,2006,440:940—943[3]Cell o J,Paul A V,W i m mer E.Che m ical synthesis of poli ovirus c D2NA:generati on of infecti ous virus in the absence of natural te mp late.Science,2002,297:1016—1018[4]Gibs on D G,Benders G A,Andre ws2Pfannkoch C,Denis ova E A,Baden2Tills on H,Zaveri J,St ockwell T B,B r ownley A,Thomas D W,A lgire M A,Merry man C,Young L,Noskov V N,Glass J I, Venter J C,Hutchis on C A3rd,S m ith H p lete che m ical syn2 thesis,asse mbly,and cl oning of a Mycop las ma genitalium genome.Science,2008,319:1215—1220Syn the ti c B io l ogy fo r I ndus tri a l B i o techno logyYang C hen,J iang W eihong,Y ang Sheng,Zhao G uop ing Institute of Plant Physiology and Ecology,S hanghai Institutes for B iological Sciences,CA S,Shanghai200032 A s a ne w engineering disci p line,the goal of syn2 thetic bi ol ogy is t o engineer comp lex bi ol ogical syste m s t o investigate natural bi ol ogical phenomena and f or a va2 riety of app licati ons.I n this revie w we covered exa m2 p les fr om the latest literature and discussed its potential app licati ons in industrial bi otechnol ogy.Keywords:synthetic bi ol ogy;industrial bi ol ogy。
