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合成生物学的进展与挑战近年来，合成生物学逐渐成为生命科学领域一个备受关注的新兴学科。
它以生物体内的基础分子结构和生命复杂性为基础，通过设计和组装DNA分子来合成或改造生物机制和生物体。
虽然在理论上，合成生物学与其他传统生物学研究相似，但是它在方法和技术上的创新、革新，以及应用范围的拓展，使它成为一个新的学科研究领域。
本文将从合成生物学的成就和挑战两方面，探讨其研究方向与前景。
一、合成生物学的成就1. 合成生物学的基础成就：人造基因组20世纪末期，生物学进入了一个新时代：生物体内基序的序列测定和人工合成基因组的技术突破。
2003年，国际人类基因组计划完成了人类基因组测序的工作, 成功披露了全人类基因组对于基础生物学研究的重要性。
2010年，另一种技术方法：人工合成基因组技术逐渐成熟，将传统遗传学进一步扩展到合成科学领域。
2010年J. Craig Venter 生物学研究所报道了首个人工合成细菌基因组，证明了人工设计DNA的可行性。
接下来，ATCC公司在2017年创建了首个全市场消费类基因科技平台：GP-write，该平台计划在10年内开展细胞和组织工程技术研究和开发，并开发出可以在现实生命体内生长的奇异生物模型。
2. 将合成生物学应用到医学合成生物学在医学上的应用，包括通过人工合成基因组来设计制造可“自愈”物种，致力于改造遗传病、肿瘤以及传染性疾病细胞，确认其生长和转换机构，以及基因素材库或基因预测模型等等，制造特定的药物，以便更好地治疗疾病。
例如，使用Aira Bio Lab中的酵母株，提取其中的细胞表面激素信号，可以治疗某些疾病，比如过度活跃的甲状腺、癌症、和高血压等等，这些带有细胞信号的药物被称为“靶向药物”，可以使患者的生存率和生活质量提高。
二、合成生物学的挑战1. 法律与伦理问题目前合成生物学面临的最大挑战就是法律、伦理问题。
基于人工合成基因，未来可以进行全新的生命体制构造与设计。
科学家们可以创建出在自然不存在的奇异“人造物”，他们既符合生命机制，又能创造新的物质世界。
合成生物学的前沿研究与应用合成生物学是近年来最具前瞻性的交叉学科之一，它结合了生物学、工程学及计算机科学等多个领域的知识，可以人工设计及重构细胞的基因、代谢途径和细胞功能等多个方面，为生物技术与生物及医学领域带来了空前的发展机遇。
一、合成生物学的研究内容包括分子生物学、微生物代谢工程、细胞生物学、系统生物学、计算机科学等多个领域，围绕着构建新型的生物系统展开，涵盖了基因设计、编程细胞行为、合成代谢途径和开发生物传感器等方面的研究。
例如，合成生物学可以通过人工设计和重构基因序列，构建具有特定功能或生物合成能力的微生物系统，从而开展新型的生物产业研发，如生物酶制造技术、生物染料、生物电池等等。
同时也为杂草的防治和生态修复等方面的研发提供了新思路。
二、合成生物学的应用领域1. 生物医药领域：合成生物学在生物医药中的应用前景广阔，如利用基因工程细胞制造蛋白质药物、开发新型的抗癌药物、治疗人类疾病、纳米医学等方面的研究。
2. 生物工程和能源：利用合成生物学为循环经济和节能环保服务，如合成新型纤维素生物燃料、开发高效的活性污泥处理系统等。
3. 生物传感与检测技术：生物传感与检测技术是将生物材料应用到传感技术的领域。
如生物传感器、生物芯片等。
三、合成生物学的发展前景合成生物学是面临着海量信息、巨大风险与高境界的一门核心技术。
它更加凸显出了以高频率生成、收集、处理、管理与利用生物数据为主的大数据驱动时代的新特征。
未来，合成生物学将涉及更广泛的领域和知识，并成为一门崭新的创新性和颠覆性的研究方向，充满挑战性和机遇。
应用生物学在全球的研究水平与技术水平相差巨大，发展缓慢，但是合成生物学的发展改变了这个行业的发展历史，可以显著提升应用与实际应用的差距。
从生命科学出发，探索别样的技术手段应用，这是生物技术发展与生命科学进步的新荣光。
合成生物学的研究进展合成生物学是一个跨学科的新兴领域，它涉及生物学、化学、物理学和工程学等多个学科。
合成生物学的研究目标是设计、合成、构建和调控生物系统，以实现特定的功能或应用。
近年来，合成生物学在生命科学、医学、能源、环保等领域得到了越来越广泛的应用，并取得了重要的研究进展。
一、合成生物学背景生物学是研究生命体的结构、功能、演化和分布等方面的学科，其基本单元是细胞和基因。
20世纪后半期以来，生物学特别是分子生物学和基因工程学的迅猛发展，为生命科学和医学带来了巨大的进展和变革。
然而，单纯的分子生物学和基因工程学无法解释和控制整个生物系统的行为和特性，也无法应对环境变化和多样性的挑战。
合成生物学的兴起正是要填补这个空缺。
合成生物学首先要把生物学观念和技术放进工程学的框架中，将生物系统看作是一种可以设计、构建和优化的工程系统，以实现特定的实用目的或科学目标。
其次，合成生物学要充分利用生物学的原理和工具，开发和创新生物化学、细胞工程、遗传操作、计算生物学等技术，以实现对生物系统的精确和可控调控。
二、合成生物学方法合成生物学的核心方法是模块化设计和组装。
即把生物系统看作是由不同的部件或模块组成的，每个模块负责完成某种生物功能，彼此之间可以自由组装和调整，形成一个可扩展和可变的生物系统。
模块化设计和组装的具体方法包括：（1）合成基因和串联基因。
合成基因是从头设计和合成的人工基因，与天然基因相比更加灵活和可控。
串联基因则是将多个基因串联在一起，形成一个新的功能基因。
（2）构建基因网络和信号传递通路。
基因网络是由多个基因相互作用而形成的调控系统，可以控制某种生物机能或应答。
信号传递通路则是将外部信号转化为内部信号，进行细胞内调控和相互作用。
（3）设计和优化酶途径和代谢网络。
酶途径是生物合成和降解分子的反应链，代谢网络是多种酶途径的相互作用和调控。
设计和优化酶途径和代谢网络可以实现对生物合成、分解和转换的精确和可控。
第!期中!国!科!学!基!金"#!! !学科进展与展望!合成生物学研究的进展!!"中国科学院院士$本文于!%%&年’!月!"日收到$张春霆"!天津大学生命科学与工程研究院"天津(%%%)!#"摘!要#!本文简要介绍了合成生物学发展的历史背景与定义"它的主要研究内容"包括基因线路$合成基因组$合成药物与生物基产品或材料等%探讨了合成生物学与基因工程的异同"介绍了合成生物学在中国的发展情况"讨论了伦理道德与安全问题"最后展望了合成生物学的发展前景%"关键词#!合成生物学!基因线路!合成基因组!合成药物!合成生物基产品或材料!合成*+,序列!!合成生物学的历史背景与定义’--%年人类基因组计划启动!随后模式生物基因组计划也快速实施!产生了大量的基因组*+,序列信息"由于新技术的出现!又促进了转录组学#蛋白质组学和代谢组学等的产生和发展"这一切又催生了一系列新兴交叉学科!如生物信息学和系统生物学等"基础研究的成果最终要转化为生产力!而合成生物学在!’世纪初的出现则是上述学科发展的一个合乎逻辑的结果"那么什么是合成生物学呢$合成生物学网站是这样介绍的%合成生物学包括两重意义%&’’新的生物零件&./01’#组件&234563’和系统的设计与构建(&!’对现有的#天然存在的生物系统的重新设计!以造福人类社会&711.%))89:; 173156<5=>=?9$=0?)’"维基百科全书是这样描述的%合成生物学旨在设计和构建工程化的生物系统!使其能够处理信息#操作化合物#制造材料#生产能源#提供食物#保持和增强人类的健康和改善我们的环境&711.%))3:$@5A5.325/$=0?)@5A5)B9173156*<5=>=; ?9’""!合成生物学的主要研究内容"#!!基因线路$$%&%’())(*)+(’%说起基因线路或基因回路!最早可追溯到C/6=<和D=:=2关于半乳糖操纵子模型的经典工作" !"#$%&杂志在!%%%年发表了基因振荡和基因双稳态两个基因线路!被认为是奠基性的工作"现在则已发表了大量的有关基因线路的工作!本文不拟详加介绍"一个典型的基因线路是基因双稳态线路+’,!由两个蛋白质编码基因与两个相对应的启动子组成"线路是这样设计的%蛋白质’的表达抑制了蛋白质!的表达!系统只有蛋白质’存在(反之!蛋白质!的表达抑制了蛋白质’的表达!系统只有蛋白质!存在"可在双稳态线路中加入诱导物!促使系统在两个稳定状态之间任意翻转"基因线路有广泛的应用!因篇幅所限不能展开介绍!下面只介绍(个应用例子"&’’大肠杆菌照相术+!,首先从集胞兰细菌基因组中克隆两个基因并转入大肠杆菌!使之能生成对光敏感的藻青素!简称E F G"接着利用大肠杆菌中双组份信号转导系统’()*+,-./!将与E F G共价结合的脱辅基蛋白与’()*的组氨酸激酶结构域融合构成一个嵌合体!成为一个光敏部件"同时!将0-.1基因与2"3*基因融合!通过在2"3*基因上游引入0-.1启动子使其表达依赖于,-./"通过这一基因线路!2"3*基因的表达就会受光调控"当有红光照射时&相当于被摄物体的光亮部分’!’()*的自磷酸化被抑制!从而,-./不能被磷酸化激活!2"3*基因关闭!由涂抹在琼脂基片上的菌苔形成的底片保持原色"当没有红光照射时&相当于被摄物体的黑暗部分’!过程正好相反!’()*的自磷酸化被激活!从而使2"3*基因被磷酸化的,-./激活而表达!其产物为半乳糖苷酶!催化菌苔中的B;?/>&一种化合物’反应生成!""!中!国!科!学!基!金!%%-年一种黑色沉淀物!这样就形成对比度!得到一幅正片"可以达到每平方英寸’亿像素的分辨率"这一基因线路主要由当时年仅(%岁的美国加州大学旧金山分校的合成生物学家F$H=5?1设计"人们并不指望用大肠杆菌照相术来代替基于卤化银光分解的普通照相术!或基于电荷耦合器件F F*的数码照相术!但这件工作展现了高度的创造性和基因线路的巨大的潜力"&!’大肠杆菌计算机+(,这一生物计算机要解决的数学难题称之为烤饼问题"设想有一摞大小各不相同#烤面和背面任意取向的烤饼"欲把所有烤饼按从大到小的顺序排好!同时要求所有烤面朝上"规定每步只许改变一个或几个相邻烤饼的位置和方向!问最小要操作多少步才能完成任务"这是一个数学和计算机科学中的重要问题"当只有两个烤饼时!答案不言自明(当有"个烤饼时!它有I"%&%种排列组合(当有’!个烤饼时!它有’$-万亿种排列组合!更不要说千百个烤饼了"现有的电子计算很难解决这一数学难题"美国*/4528=:学院的J$K/9:38用长短和方向&#L#(L或(L##L’各不相同的*+,片断来代表烤饼"由重组酶K5:)75M来完成-烤饼.的换位和方向改变"设计一个基因线路!使当-烤饼.按要求排好后!抗四环素基因表达!反之则不表达"然后把这种工程化的大肠杆菌大量繁殖!使一个培养皿中达到数十亿个菌体"每个细菌都是一部-计算机.!它们各自独立!互不干扰地进行-计算."这种生物计算机的巨大威力正在于它是高度并行进行计算的!实行的是-菌海战术."一段时间后用四环素处理菌体!没有完成排序任务的细菌都被杀死了!剩下的只有完成排序任务的菌体"从一开始到找到完成任务的菌体所需时间模拟了最少操作步数"’--I年,2>3N/:曾提出用与*+,有关的化学反应来解决+E;完备性问题!但那是在体外!而这件工作是在细胞内!第一次由活的生物来执行计算任务!意义非同一般!打开了用人造生物来做科学计算!设计和构建生物计算机这一崭新研究领域的大门"此项工作具有高度的创造性和启发性"&(’大肠杆菌砷探测器+I,在世界各地尤其是孟加拉国!饮用水中砷或亚砷酸盐往往超标!危害数百万人的身体健康"世界卫生组织&OK P’要求饮用水砷或亚砷酸盐的浓度不得超过’%..<"现有的砷检测方法难以达到这一精度"为此!英国爱丁堡大学的合成生物学家设计了专用于检测砷的基因线路"大肠杆菌的质粒Q))(中有一个抗砷操纵子!编码了两个阻遏蛋白质,08Q和,08*!分别对低和高浓度砷或亚砷酸盐敏感"该基因线路利用了这两个蛋白质!用,08Q和,08*分别控制!34基因和2"3*基因的表达!而!34和2"34一起控制尿素酶基因的表达"在没有砷&亚砷’酸盐时!!34基因不表达!通过加入异乳糖解除2"34的阻遏后尿素酶基因表达!催化底物尿素产生氨使培养液呈碱性&.K值达到-以上’"在有低浓度砷或亚砷酸盐时&约#..<’!其与,08Q结合形成复合体从而解除了对!34基因的阻遏!表达生成的!14又阻遏了尿素酶基因的表达!使培养液呈中性"当有高浓度砷或亚砷酸盐时&约!%..<’!其与,08*结合从而解除了对2"3*基因的抑制!表达生成的半乳糖苷酶催化半乳糖降解使之生成乙酸和乳酸!使培养液呈酸性!.K值可达#以下"利用.K试纸或通过.K指示剂!如甲基红!即可用肉眼检测砷&亚砷’酸盐的浓度"此法具有灵敏度高!操作简便!成本低廉等诸多优点"以上这些例子表明了合成生物学基因线路巨大的发展潜力和广泛的应用前景""$"!合成基因组生物是大自然亿万年进化的产物!但人类利用无机物合成生物物质甚至生物的努力一直没有停止"远的不说!’-)-年J7=0/:/合成了酪氨酸阻遏1Q+,基因&!%)<.’(!%%!年O5N N30小组合成了有生物活性的脊髓灰质炎病毒基因组&约)I%% <.’+#,(!%%(年H3:130小组合成了.85R’)I噬菌体基因组&约#I%%<.’+",(直到!%%&年他们又合成了生殖道支原体基因组&#&!$)-%A<’+),"这是迄今为止人类在合成生物的过程中走得最远的一步"但是!离合成一个单细胞的细菌还差得很远!因为细菌除了基因组以外!还有蛋白质等多种成份!而且H3:130等人合成的这个细菌基因组能否正常工作尚未报导"不过!H3:130小组不久前发表了另一件工作!即把关系较近的两株支原体中的一株的基因组剔除!用另一株的基因组取而代之!结果仍能正常-工作.+&,"他们应可以用这一技术来验证其所合成的基因组的有效性"合成细菌基因组研究提出了最小基因组的问题%即最少需要多少个蛋白质编码基因才能支持一个完整的细菌"这些基因被称为必需基因"可以把基因组中的基因逐一剔除来鉴别该基因是否必需"现已对’I种细菌和"种真核生物基因组进行了这样或其他方法的实验!鉴别出近’万第!期张春霆%合成生物学研究的进展")!!个必需基因!存放在必需基因数据库*S T中+-,!它将对合成细菌基因组有参考价值""$,!合成药物与生物基产品或材料这是合成生物学一个极其重要的应用领域"在这里仅举(个例子"其一是美国加州大学G30A>39分校的C$J3/8>5:?关于合成抗疟疾药物青蒿素的经典工作+’%,"工作的难度在于对来自细菌!酵母与青蒿&高等真核生物’多种基因及其代谢途径的设计组装与精密调控"由于C$J3/8>5:?的不懈努力!使得用大肠杆菌及酵母细胞合成青蒿素前体///青蒿酸的能力有几个数量级的提高!从而将会大幅度地降低生产青蒿酸的成本"其二是生产能源物质氢的工作"U7/:?等人+’’,用’(个已知酶组成一个新的非天然的催化体系及其催化途径!将淀粉和水在一般条件下产生氢!通过燃料电池产生电能!这有可能成为驱动汽车的绿色能源"其三是利用合成生物学技术生产生物柴油的工作"美国哈佛大学医学院教授F7V067&他本人则是当前*+,序列合成技术研究的领军人物’等人发起成立了W B-可再生石油公司!而G3009是该公司的一名当时年仅!-岁的研究人员!在-旗舰.风险投资公司的资助下!他正在领导一个小组来试制生物柴油燃料!目前已取得了进展!因而获得了美国D X Y0技术评论1!%%)年度的Y Q(#最高奖"他们的工作已经申请了专利但未见详细报导"顺便指出!生物炼制是利用农业秸杆#植物基淀粉和木质纤维素等为原材料!生产各种化学品#燃料和生物基材料的技术"合成生物学为生物炼制提供了新的技术手段"有关本小节的内容!更多的可以参阅赵学明的综述文章+’!,!这里不再赘述"除了上述应用研究以外!还合成了非天然的氨基酸和碱基!这对于深入理解生命现象的本质和研究天然蛋白质的折叠机制很有用处"例如!!%%’年B5852=小组和!%%(年B67V>1Z小组通过引入I或#个碱基的密码子合成含有非天然氨基酸的蛋白质( !%%"年G3::30小组和!%%&年Q=N38<30?小组分别合成非天然碱基对!扩展了原有的生物遗传系统",!合成生物学与基因工程的异同可以说基因工程和合成生物学是生物技术发展的两个阶段!后者是建立在前者的基础之上的"但要指出的是基因工程和合成生物学之间并没有明确的界线!有一部分内容是重叠的"总的来说!基因工程是通过自动测序技术来读取基因组*+,序列!并用分子生物学手段&如克隆#E F Q和*+,序列重组等技术’来构建*+,序列(而合成生物学除了也需要上述手段以外!还要增加*+,序列的自动合成技术!并要建立一些标准和采用一些规则来简化人工生物系统的设计过程"具体说来两者之间至少有三方面的不同"其一!基因工程是将个别外源基因转移到某生物基因组内!使之能表达有益的蛋白质"例如!抗虫棉虽然携带了抗虫基因!但它还是棉花!而合成生物学则是从头设计和构建自然界中不存在的人工生物体系!这是两者显著不同之处"但是!合成生物学也包含了对现有生物的重新设计和改造的内容!在这点上两者又是一致的!可能在改造的深度和广度上有所不同"其二!在基因工程的实施过程中较少使用数学工具(而合成生物学在设计和构建人造生物体系时广泛使用各种数学工具来进行模拟!使得设计和构建的生物体系能正常工作"其三!在基因工程的实施过程中由于只转移个别外源基因!一般较少或不进行细胞网络分析(而合成生物学改变了-转移一个基因!表达一种蛋白质.的模式!而通常是转移一组基因!因而要在更大规模更多层次上涉及到细胞网络!如代谢网络等"所以!网络分析是合成生物学的核心内容之一!但是限于篇幅这一重要内容本文未加介绍"由于有这些差异!所以如果说基因工程是上一代生物技术的话!那么合成生物学则是下一代生物技术"或者说!合成生物学是生物技术发展的一个新的制高点"但是这并不意味着合成生物学要取代传统的基因工程技术!而是各有各的用处!两者竞相发展"有人预计!合成生物学技术会发展得更快些"然而!*+,序列大规模#高精度和低成本的合成是合成生物学发展的关键技术!目前仍未解决!成为制约其发展的瓶颈问题"所以!目前合成一个高等真核生物基因组*+,序列仍然是不现实的"合成生物学在设计和构建各种人工生物体时!往往参照了工程学的原理!同时使用各种数学工具"因此!合成生物学可以认为是生物学!工程学和数学的交叉学科"-!合成生物学在中国的发展情况合成生物学在中国的发展刚刚起步!这里仅通报一下活动情况及涉及的人员"早在!%%#年林其谁+’!,!随后林淼#段海青#陈惠鹏+’(,和赵学明#王庆昭+’I,先后发表综述文章!分别对合成生物学加以介绍"国际基因工程机器比赛&简称5T S D’是以大学生为主体的基因线路设计的国际性大赛"为了推动!"&!中!国!科!学!基!金!%%-年中国大学生参与这一比赛!!%%)年I月’"日在天津大学举办了一个5T S D研讨会!来自北京大学#清华大学#天津大学和中国科技大学I所大学的有关师生参加了会议"由美国著名合成生物学家D X Y 的*03@S:29和F/>1367的F$B N=>A3主讲介绍合成生物学"!%%)年"月’"/’)日在天津大学举办了亚太地区5T S D比赛领队教师的培训班"来自澳大利亚#日本#我国台湾和香港地区以及上述四所大学的有关教师参加了培训"主讲专家有5T S D的创始人D X Y的Y=N J:5?71和Q/:29Q311<30?"此外!还有美国*/4528=:学院的J$K/9:38!她设计和构建了大肠杆菌计算机"以上活动均由元英进组织和主持"!%%)年’’月!-日!英国爱丁堡大学天津大学系统生物学和合成生物学联合研究中心挂牌成立!成为我国第一家合成生物学研究机构"!%%)年底传来消息!我国I所大学在参加的第(届5T S D大赛上取得了优异的成绩"最早由孙之荣#华泰立&Y3009K V/’和赵学明等人发起!于!%%&年#月’!/’(日召开了主题为0合成生物学1的第(!!次香山科学会议"魏江春#张春霆#华泰立#汤雷翰和孙之荣任大会执行主席!张春霆和华泰立分别做大会主题报告"在!%%&年’%月份召开的第四届国际合成生物学会议上被邀请做报告的我国内地学者有陈国强#来鲁华#祈庆生和元英进等人"!%%&年下半年!天津大学为本科生开设了一门创新课程-合成生物学导论.!有来自相关专业的’#%名大学生听课!由张春霆#赵学明和宋凯三人讲授".!合成生物学的伦理道德和安全问题合成生物学要设计和构建自然界中不存在的人工生物体!如果这些人造的生物体逃逸到自然界中去!会不会引起问题$从原理上来说设计和构建一个人类基因组*+,序列是可能的!伦理道德是否允许$目前!合成生物学尚不广为人知!群众一旦了解了合成生物学的真相!会不会像克隆羊#干细胞研究和转基因农作物等一样引起争议甚至恐慌$此外!敌人或者恐怖分子会不会利用合成生物学技术制造生物武器来危害社会$所有这一切问题都应该进行充分研究并早做准备"/!合成生物学发展展望!%%I年美国的0技术评论1杂志将合成生物学列为将改变世界的新出现的十大技术之一"美国生物经济研究会!%%)年发表了0基因组合成和设计之未来!对美国经济的影响1的研究报告"欧盟!%%)年启动了0合成生物学///新出现的科学技术1引导项目共’&项"第(!!次香山科学会议上与会专家也讨论了合成生物学对我国经济发展的影响!有的专家建议把合成生物学提升到关乎我国国民经济发展核心技术的高度来考虑"我在这里再一次呼吁国家自然科学基金委员会和国家科技主管部门!能给予合成生物学研究以充分的重视!并引导其健康快速地发展"致谢&感谢赵学明!元英进!马红武和宋凯等教授的帮助"本文是作者在第(!!次香山科学会议上所做大会主题报告的详细摘要并作了适当的补充"参考文献+’,T/02:30YB!F/:1=0FQ!F=>>5:8C C$F=:810V615=:=[/?3;:31561=??>38@51675:’53026$+/1V03!!%%%!I%(%((-/(I!$+!,W348A/9/,31/>$S:?5:3305:?’530261=833>5?71$+/1V03!!%%#!I(&%I I’/I 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$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$V3:638!资料!信息!国家自然科学基金委员会设立’外国青年学者研究基金(!%%-年!月!国家自然科学基金委员会委务会议审议通过了-外国青年学者研究基金.实施方案&试行’!标志着该基金的实施工作正式启动"该基金旨在延揽外国优秀青年学者到我国内地开展基础研究!为青年一代在日益开放的基础研究环境中搭建学术联系的桥梁和纽带"随着中国经济的发展!国家对基础研究的投入力度不断加大!基础研究条件不断改善并日趋成熟!研究机构和高等院校与国际学术界的交往也日趋紧密!已经具备了接纳国外学者长期来华进行学术研究的能力"这一举措顺应了当前科学研究国际化的趋势和国内外科技界的需求"鼓励国外青年学者来华参与国内学术研究!不仅可以让他们加深对中国科研状况的了解!推进学术研究的进程并与国内研究人员形成长期稳定的合作关系!而且有利于外国年轻科研人员对中国社会和文化的接触和深入了解!对于培养未来与我国密切开展科技合作的骨干力量具有十分重要的意义!是一项着眼于未来的战略举措"根据该基金的实施方案!自然科学基金委资助外国青年学者在华"个月或’!个月的研究经费!其依托单位提供研究条件和生活保障等"项目的评审遴选将着重外国青年学者的受教育背景#从事基础研究的经历和能力#以往取得的研究成果等"对于来华开展的研究课题!应属于当前学科前沿和研究热点领域"作为试行!!%%-年该基金将采取中国科学院和教育部推荐人选#个人申请#国家自然科学基金委员会组织评审的方式予以实施!拟资助#%位外国青年学者!资助总经费为’%%%万元人民币"具体实施方案与申请通告近期将予以公布"!国际合作局$办公室供稿#。
合成生物学的新进展与应用合成生物学是一门新兴的综合性学科，它利用工程化的方法，对生物系统进行精准调控和设计，从而实现新功能的构造和生物系统的优化。
在过去的几十年中，合成生物学得到了快速发展，取得了许多重要的成果。
本文将从新进展、应用等方面深入探讨合成生物学的发展和应用。
一、新进展合成生物学领域的新进展众多，这些新进展涉及到多个层面，下面将对一些重要的进展进行简单的介绍。
1.建立关键部件的数据库合成生物学需要大量的合成基因元件来进行生物系统的构造和优化，因此建立一个可靠的基因元件数据库是至关重要的。
近年来，许多研究人员开始积极地构建合成基因元件数据库，如JBEI 研究所的细胞自由元器件库、耶鲁大学的BioBrick库等。
这些基因元件数据库为生物工程研究提供了重要的基础，并且为实现更精准的合成和调控生物系统奠定了基础。
2.开发新的温和性合成策略合成生物学需要大量的基因合成和代谢工程，这些工作对细胞的生长和代谢产生了巨大的影响，容易导致代谢途径的紊乱和细胞死亡。
因此，研究人员开始探索一些新的温和性合成策略，如使用小分子途径、光照途径等。
这些策略可以有效地降低合成的成本和麻烦程度，同时也可以降低对细胞的负面影响，促进合成生物学的发展。
3.利用大数据分析进行数据挖掘和预测合成生物学需要处理大量的数据，包括基因序列、代谢产物、蛋白质互作等。
这些数据的挖掘和预测对于合成生物学的研究和应用至关重要。
近年来，许多研究人员开始运用大数据分析和机器学习等方法进行数据挖掘和预测，如预测蛋白质互作网络、构建代谢途径等。
这些研究为实现更高效和精准的生物系统设计和构造提供了突破性的解决方案。
二、应用合成生物学的应用包括多个方面，下面将对一些常见的应用进行简单的介绍。
1.新药开发合成生物学优良的合成和优化能力为开发新药物提供了有利条件。
利用合成生物学技术可以构建代谢途径，加快药物的生产速度和降低成本。
目前，一些常见的药物如青霉素、阿司匹林、白蛋白和抗癌药物等都得益于合成生物学的发展。
合成生物学技术研究进展合成生物学技术是一种基于生物系统的工程学方法，通过设计、构建和优化生物部件、设备和系统，实现新功能或改善现有功能。
随着近年来科研技术的不断发展，合成生物学技术在各个领域都取得了显著的研究成果。
本文将综述合成生物学技术的研究现状、关键技术及其在不同领域的应用进展，并探讨未来的研究方向。
合成生物学技术的研究现状合成生物学技术的研究范围广泛，包括基因编辑、生物传感器、基因表达调控等方面。
目前，合成生物学技术已经应用于医药、农业、环保等领域，并取得了良好的成果。
在医药领域，合成生物学技术的最新进展包括基于合成生物学技术的基因疗法、细胞疗法和药物研发。
例如，通过基因编辑技术纠正致病基因突变，治疗遗传性疾病；利用合成生物学方法设计新型药物，提高药物疗效和降低副作用。
在农业领域，合成生物学技术的应用包括基因编辑技术改良作物、生物传感器监测环境因素和基因表达调控优化农作物产量。
合成生物学技术在解决全球粮食安全和生态环境问题方面也发挥了重要作用。
在环保领域，合成生物学技术的应用包括设计生物传感器检测环境污染、基因编辑技术改善污染物降解菌以及基因表达调控研究生态修复等。
例如，通过合成生物学技术提高微生物对重金属的抗性和降解能力，降低污染物的环境影响。
合成生物学技术的关键技术基因编辑技术：基因编辑技术是合成生物学中的核心技能之一，它能够实现对DNA序列的精确修改。
CRISPR-Cas9系统是近年来最受欢迎的基因编辑工具，它能够在指定位置切割DNA，并允许研究人员插入或删除基因序列。
生物传感器：生物传感器是另一种关键技术，它利用生物分子识别特定目标，并转化为可检测的信号。
生物传感器的应用范围广泛，包括环境监测、食品工业和临床诊断等领域。
基因表达调控：基因表达调控是合成生物学技术的另一个关键领域。
它涉及对遗传信息的转录、翻译和修饰进行精确控制，以实现所需蛋白质的时空表达。
通过基因表达调控，研究人员可以优化生物系统的性能，并实现新功能的开发。
DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.05.007 ·综述· 合成生物学的关键技术及应用进展邢玉华，谭俊杰，李玉霞，凌焱，刘刚，陈惠鹏20 世纪的生物学研究一直着眼于对生物系统的不断分解，解剖至细胞中单个蛋白或基因，研究其结构和功能来解释生命现象。
但随着当代分子生物学技术的迅猛发展，以系统化设计和工程化构建为理念的合成生物学成为新一代生物学的发展方向。
合成生物学旨在对多种天然的或人工设计的生物学元件进行合理而系统的组合以获得重构的或非天然的“生物系统”，其涵盖的研究内容可以大体分为 3 个层次：一是利用已知功能的天然生物模体（motif）或模块（module）构建成新型调控网络并表现出新功能；二是采用从头合成（de novo synthesis）的方法，人工合成基因组 DNA 并重构生命体；第三个层次则是在前两个研究领域得到充分发展之后，创建完整的全新生物系统乃至人工生命体（artificial life）。
合成生物学强调利用工程化的设计理念，实现从元件到模块再到系统的“自下而上”设计。
利用生物系统最底层的 DNA、RNA、蛋白质等作为设计的元件，利用转录调控、代谢调控等生物功能将这些底层元件关联起来形成生物模块，再将这些模块连接成系统，实现所需的功能。
这是一门涉及微生物学、分子生物学、系统生物学、遗传工程、材料科学以及计算科学等多个领域的综合性交叉学科。
它有别于传统的基因工程，其目的在于组装各种生命元件来建立人工生物体系，让它们能像电路一样在生物体内运行，使生物体能按预想的方式完成各种生物学功能。
合成生物学的最高境界是灵活设计和改造生命，重塑生命体。
本文就目前合成生物学采用的关键技术和研究应用进展两方面进行综述。
1 基因组的人工合成技术2010 年 5 月 20 日，Science报道了 Venter 研究组采用化学方法合成了一个 1.08 Mb 的蕈状支原体基因组，并将其移植入一个山羊支原体受体细胞，从而创造了一个仅由合成基因组控制的新的蕈状支原体细胞[1]。
“合成生物学”研究前沿与发展趋势作者：李若彤来源：《科学大众·教师版》2019年第03期摘要：合成生物學研究（syntheticbiology）是一门新兴研究领域，是生命科学在21世纪刚刚出现的一个分支学科。
合成生物学是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程等多学科交叉的产物。
近年来合成生物学发展势头强劲，许多新的技术被应用到合成生物学领域，2010年人工合成生命的出现更是引起了舆论轰动和全世界的广泛关注。
鉴于此，文章对合成生物学的研究进展与发展趋势进行了阐述，以供参考。
关键词：合成生物学; 研究进展; 发展趋势中图分类号：R282.1 ; 文献标识码：A ; ; ;文章编号：1006-3315（2019）03-012-0021.合成生物学主要研究进展和重要研究成果1.1利用合成生物学理念发展先进智能技术（1）人工构建细胞工厂与系统优化代谢流。
CO2生物固定转化是地球有机碳源的根本来源，但转化效率有待提升。
利用合成生物学技术，构建细胞工厂优化系统代谢流，创造或经过改造的新生物系统可以突破原有生物系统的限制，实现CO2的高效生物转化。
例如利用蓝细菌与梭菌的固碳模块及其胞内的碳流与能量流分配规律设计的人工细胞，可利用光能、化学能将CO2高效转化为醇、酮、酸、烯等有机化合物;光能自养型的蓝细菌细胞工厂的设计和构建得到了快速的发展，经过改造的蓝细菌可以高效地合成乙醇，2，3-丁二醇，蔗糖等生物燃料及化学品。
在分析—认识—设计—构建的研究策略指导下，不断提高自养细胞工厂的效率，为形成以CO2/CO为原料、转化合成大宗化学品的新路线、建立清洁、绿色、可持续的生物制造新模式奠定基础。
（2）合成生物学推动下的工业生物技术。
工业生物技术是利用微生物或酶将淀粉、葡萄糖、脂肪酸、纤维素等农业资源转化为化学品、燃料或材料的技术。
工业生物技术的生产规模可达千万吨级。
但其生产过程中微生物的高密度生长和呼吸产生的大量代谢热会导致系统升温、酸碱扰动、细胞活力下降等问题，需使用大量的冷却水和补加酸碱来控制微生物生长代谢，增加了过程控制的难度和成本。
合成生物学的新进展和应用合成生物学是一种新兴的交叉学科，它将生物学、工程学和计算机科学相结合，旨在设计和构建新的生物系统和生物分子。
这一领域的迅速发展和突破正在推动着生命科学领域的进一步探索和拓展。
本文将介绍合成生物学的新进展和应用。
一、合成生物学的发展历程合成生物学起源于2000年，由美国科学家斯莱特（Craig Venter）提出。
其主要思想是将生物学作为一种工程学科，利用生物体内的建设部件，设计构建新的生物系统。
在接下来的几年里，合成生物学在许多领域取得了重大进展。
2003年，美国密歇根大学的研究人员首次在细胞外合成了人类基因组的一个完整复制品。
大规模合成基因组的成功实现，为合成生物学的发展提供了新的思路和可能性。
此后，合成生物学在分子生物学、生物制造、仿生学、环境保护等领域得到了广泛的应用。
二、合成生物学在生物医学中的应用合成生物学在生物医学中的应用已经开始萌芽。
目前，合成生物学被用于研究各种复杂的生物系统，包括细胞信号传导、基因调控、信号转导等。
通过对这些系统的深入研究，合成生物学有望为未来的疾病治疗提供新的思路和方法。
在肿瘤治疗领域，合成生物学也有着广泛的应用。
一些研究人员正在尝试通过细胞工程的方法，利用合成技术制造出能够定向杀死肿瘤细胞的生物体。
此外，人工合成基因组的突破，为将来的肿瘤治疗提供了新的希望。
三、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也有着重要的应用。
目前，一些研究人员正在研究利用合成生物学技术，将农业残留物转化为生物燃料，以降低对环境的损害程度。
此外，一些研究人员正在利用合成生物学技术，研究如何用微生物将废弃物处理成有用的化学品和生物产品。
四、合成生物学的未来合成生物学的未来前景非常广阔，它将为生物医学、环境保护和生物工程等领域提供新的理论和实践基础。
在未来，在合成生物学的领域里，我们将看到更多的协同创新，更多的生物体系的设计和构建，以及更多的基因组的合成和人工控制。
合成生物学研究报告01合成生物学的概念合成生物学是以工程学理论为指导，设计和合成各种复杂生物功能模块、系统甚至人工生命体,并应用于特定化学物生产、生物材料制造、基因治疗、组织工程等的一门综合学科。
合成生物学包含工程学的理念，而任何一个生命体系可以看作是具有不同功能的生物零件的有序组合。
合成生物学的目的在于设计和创造新的生物组件和体系，对现有的生物体系进行重新设计。
从基本的生物组件构建复杂的人工生命体系，对整个生命过程进行重新设计、改造、构建。
合成生物学的研究应用主要包括两个方面：一是“自上而下”的方法，通过对现有的、天然存在的生物系统进行重新设计和改造，修改已存在的生物系统，使之增添新的功能（从基因组中剔除非必要基因组）；二是“自下而上”的方法，通过设计和构建新的生物元件、组件和系统，创造自然界中尚不存在的人工生命系统（从核苷酸合成新的生命体）。
图：合成生物学的内涵资料来源：中国发展门户网02合成生物学的里程碑事件2000年，美国科学家JamesJ.Collins开发出了遗传开关，这通常被认为合成生物学的开端。
2010年，Craig Venter创造出了第一个人造生命。
之后合成生物学快速发展，出现了非天然核酸、蛋白质从头设计、单条染色体酵母和大肠杆菌基因组全合成等一系列里程碑式的工作。
合成生物学的发展大体经历了3个阶段：第一阶段，创建时期（2000—2003年）：产生了许多具备领域特征的研究手段和理论，特别是基因线路工程的建立及其在代谢工程中的成功运用。
第二阶段，扩张和发展期（2004—2007年）：这一阶段的特征是领域有扩大趋势，但工程技术进步比较缓慢。
第三阶段，快速创新和应用转化期（2008—2013年）：这一阶段涌现出的新技术和工程手段使合成生物学研究与应用领域大为拓展，特别是人工合成基因组的能力提升到了接近染色体长度的水平，基因组编辑技术出现前所未有的突破。
图：2000—2018年合成生物学研究的代表性进展资料来源：中国发展门户网图：以“synthetic biology”为关键词的文章增量资料来源：pubmed03合成生物学的基本模块与传统生物工程相比，合成生物学最大的进步在于对工程设计原理的系统性应用：依据工程设计原理对天然存在的各种酶、调控分子等进行简单化、模块化处理，设计出具有各种基本功能的元件。
合成生物学的新进展与前景近几年，合成生物学成为了生命科学的热门领域之一。
它是一门古老的学科与现代生物技术交汇并产生了新的可能性。
合成生物学以“设计－建造－测试”为基本方式，利用工程学的思维，通过设计和组装基因片段等方式，制造人工合成的高效生物体系，实现对生物组织和生物过程的精细控制。
本文将介绍合成生物学的新进展与前景。
一、合成生物学的新进展1. CRISPR-Cas技术CRISPR-Cas技术是生物技术领域最炙手可热的技术之一，拥有极高的革命性与实用性。
它基于细菌和古菌的天然免疫系统，利用Cas蛋白酶和RNA，可以将指定的DNA序列精准地进行剪切、修复或编辑。
这个技术的最具突破性之处在于它可以轻松地实现基因定点编辑，而且操作简单、效率高。
CRISPR-Cas技术不仅可以解决多种基因治疗和寻找新疾病治疗方法等问题，也可以解决经济发展、环境保护和食品安全等一系列社会问题。
此外，随着CRISPR-Cas技术的不断发展，它也可以被应用于生物合成体系的构建和优化。
2. DNA合成技术合成新的DNA序列是合成生物学的基础，近年来，DNA合成技术在速度、精度、成本等方面都得到了极大的提升。
在过去的几十年里，根据基因片段的越来越多的定义，合成生物学中所使用的DNA合成技术也不断发展。
在新型合成DNA技术中，有一些技术如断链合成和mRNA引导的DNA合成等。
随着DNA合成技术的发展，越来越多的新方法和技术的出现会为生物的合成和改良提供一定的技术支持。
二、合成生物学的前景1. 新型存储方式与材料目前，计算机存储不断刷新自己的极限，研究人员发现自然材料是计算机存储极限扩展的哪些技术的最佳候选材料。
通过合成生物学的手段，科学家可以大量合成自然材料，并将它们应用于生物计算机存储器的制作。
其主要思想是将存储数据刻在化合物中，并通过合成生物学手段将这些化合物负载在紧凑的DNA螺旋上，并且DNA存储器是一种低功耗和易于存储和检索的存储方案，可用于长期存储和便携式应用程序。
化学中的合成生物学研究进展合成生物学，作为一种新兴的交叉学科，是将生物学、化学与物理等学科相互结合而形成的一种新的科学研究领域。
在这个领域中，化学的作用非常重要，并且合成生物学也会运用化学的知识，从而研究生命体系的整体。
随着合成生物学研究的深入和发展，化学在其中也扮演着越来越重要的角色。
下面就详细介绍一下在化学中的合成生物学研究进展。
一、化学中的合成生物学概述合成生物学是一种将化学、生命科学和工程学相结合的交叉学科，旨在构建人工合成的细胞。
通过设计和构建细胞的功能元件和模块，然后将它们组合到一起，从而创造出具有特定功能的有机体。
合成生物学需要化学思想的支持，包括反应工程、高通量及低成本的化学合成方法等。
其中，化学技术的引入，可以实现对生命体系的信息传递、代谢和能量维持等机制的控制，和这些机制之间的相互影响。
同时，合成生物学可以为化学提供新的思路和挑战，例如人工合成更加复杂和具有特定功能的小分子物质和生物分子。
在化学中的合成生物学研究中，合成化学，有机化学，高分子化学，光化学等学科都能得到广泛应用，从而推进研究的不断进展。
下面简述一下其进展及意义。
二、人工合成生物分子传统上，人们通过纯化和提纯从自然界中分离生物分子。
而在合成生物学领域中，化学家们使用现代化学方法设计和合成了生物分子，如肽，核酸和糖类，从而使得人类可以更好地理解这些分子的生物功能机制。
其中，生产婴幼儿配方食品的乳糖葡萄糖酸是合成生物学界一个经典的成果。
另外，微流控制作为一种新型的制造技术，在化学中的合成生物学研究中也发挥了重要的作用。
在微小的反应管中，可以利用微流控技术控制反应速率和反应通道的条件，从而实现某种特定的合成分子的生成。
这项技术使得基于生物学的化学合成变得更加高效和经济，同时也为生物分子的合成提供了新的思路。
三、人工合成微生物近年来，合成生物学家们还建立了人工细胞的模型，并且构建和改造微生物群体的结构，实现人工的代谢途径，进而在生理学上，做到轻微的控制。
合成生物学技术的研究现状和应用随着现代科技的不断发展，合成生物学技术逐渐成为科技界的一个热门话题。
合成生物学技术是一种基于自然生物体系的开放性、可扩展性的综合性科学技术，涉及到生物学、计算机科学、工程学等多个领域。
本文将探讨合成生物学技术的研究现状和应用。
一、基因合成技术的发展合成生物学技术的核心是基因合成技术，而基因合成技术的发展源于化学合成配合PCR技术的发展。
PCR技术使得科学家可以快速扩增基因片段，但是，由于PCR技术是基于模板扩增的，受限于模板，PCR技术无法扩增大片段DNA。
而基因合成技术则可以从头合成一个完整的DNA链，因此可以合成更长的、全新的基因序列。
截至目前，基因合成技术已经能够合成超过1000kbp的DNA链。
随着基因合成技术的发展，合成生物学技术也得到了快速的发展。
二、合成生物学技术的应用合成生物学技术的应用领域非常广泛，包括医学、环境、能源、农业等。
下面简单介绍一下合成生物学技术在这些领域的应用。
1.医学合成生物学技术可以通过基因合成技术构建纳米生物机器人，用于肿瘤治疗。
纳米生物机器人可以通过识别肿瘤细胞表面的标志物，实现对肿瘤的定位和治疗。
除此之外，合成生物学技术还可以通过基因合成技术开发出新型的药物，比如利用基因编辑技术针对疾病相关基因进行编辑，从而为患者提供更加个性化的治疗方案。
2.环境合成生物学技术可以帮助减轻环境污染问题。
比如利用基因合成技术构建一种可以吸收空气中二氧化碳、水蒸气和氮气的植物。
这种植物可以制造生态环境，吸收炭黑和二氧化硫等污染物质，从而减轻环境污染。
此外，合成生物学技术还可以通过基因合成技术构建为微生物修饰的废物处理系统，被污染的土地和水资源都可以得到有效的治理。
3.能源合成生物学技术可以帮助我们开发更加高效的生物质能源。
利用基因合成技术，科学家可以构建出更加高效的木质素酶、纤维素酶等，实现对生物质的有效降解。
此外，合成生物学技术还可以通过基因编辑技术和基因合成技术将酵母菌和微生物等生物体系完全改造，从而使得这些生物体系能够有效地生产更多的生物质。
中国医药生物技术 2012年2月第7卷第1期Chin Med Biotechnol, February 2012, V ol. 7, No. 1 59 DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.01.014 ·综述· 合成生物学研究进展艾瑞婷，于振行合成生物学作为一个新兴的前沿学科，由于其巨大的潜在应用价值而成为各国政府争相抢占的资助领域和各科研机构的研究热点。
近年来，合成生物学在生物能源、生物医药和生命合成等领域取得了长足发展和重要突破。
本文就合成生物学取得的重大科研进展及其国际、国内发展形势进行综述。
合成生物学是以工程学和生物学为基础，以创新为导向迅速发展起来的新研究领域。
高通量、低成本的基因测序技术、DNA 合成技术及其公司化运作，为该领域发展奠定坚实基础。
合成生物技术通过多学科交叉集成，从天然生物系统中获取各种元件，将其合理组合，形成标准化、可替换、工程化的功能模块，实现用现代工程科学理念构建和改造生物系统。
合成生物学一方面探索生命内在运行模式和进化等基础科学问题，另一方面则直接面向产业，通过对现有生物体的理性目标化改造产生直接效益，为解决能源资源耗竭、人类健康、环境污染等社会可持续发展的瓶颈问题提供直接有效的技术，并带动传统产业升级和开辟新兴产业。
1 当前合成生物学的重点成果1.1 生物能源方面2008 年，Liao 领导的研究组从酿酒酵母、乳酸乳球菌及丙酮丁醇梭菌中引入 2-酮酸脱氢酶，从酿酒酵母中引入2-乙醇脱氢酶，通过基因优化和重构，实现大肠杆菌内全新的高级醇合成路径，研究结果发表在《自然》杂志上[1]。
2009 年，通过对细长聚球蓝细菌的基因工程改造，增加 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的表达量，并将来自乳酸乳球菌、枯草芽孢杆菌及大肠杆菌的相关基因进一步导入工程菌，使之利用 CO2和光生产异丁醛，成功实现利用光来生产生物能源分子[2]。
