1.5.1　合成能力飛速發展

人工基因組合成是指在工程學思想的指導下，借助計算機工具設計具有特定功能的人工基因組，并利用 DNA 從頭合成和模塊化組裝技術構建人工設計基因組，使其實現預期功能。2002年，紐約州立大學石溪分校的Eckard Wimmer通過化學合成病毒基因組獲得了具有感染性的脊髓灰質炎病毒，這是人類歷史上首個人工合成的生命體；2008年，美國Craig Venter研究所合成了5.8×105個堿基對的生殖道支原體全基因組，首次實現了人工合成微生物基因組；2010年，美國Craig Venter研究所宣布了首個“人工合成基因組細胞（JCVI-syn1.0）”的誕生，其設計、合成和組裝了1.08Mb的支原體基因組，并將其移植到山羊支原體受體細胞中，產生了僅由合成染色體控制的支原體細胞，這標志著人工合成基因組實現了對生命活動的調控。這項工作在科學界引起了巨大反響，使“合成生物學”進入了大眾的視野。2012年，美國約翰·霍普金斯大學開始著手酵母染色體人工版本（Synthetic Yeast Genome Project，Sc2.0）的合成，這是首次挑戰真核細胞基因組的合成，該項目由美國、中國、英國、法國、澳大利亞、新加坡等多國研究機構參與并分工協作。Sc2.0旨在設計和完全化學合成16條染色體，這些染色體包含來自啤酒酵母的1250萬個堿基和一個帶有所有 tRNA 基因的“新染色體”，刪除了轉座子、內含子等非必需遺傳元件，人工酵母基因組序列精簡了6%。該項目不僅為真核染色體的系統研究提供了一個平臺，還通過其“從構建到理解”的過程擴展了生物學知識的范圍。目前，人工合成基因組生物已涵蓋了病毒、原核生物和真核生物，預定特性的人造細胞已悄然實現，這是生命體系從自然發生到人工產生的一個轉折點。

近年來，人工基因組合成不斷取得突破性技術進展。最小基因組的合成不但增進了人類對細胞行為和機制的理解，也為科學研究和生物制造產業提供了優質的底盤細胞；密碼子擴展和非天然氨基酸技術的應用實現了全新生命體的創建，拓展了人工基因組合成新策略和形式。2011年，利用多重自動基因組工程在32個大腸桿菌菌株中完成了同義終止密碼子替換，實現了對大腸桿菌基因組314 個TAG到TAA終止密碼子的轉換。2014年，美國科研人員設計合成了一個非天然堿基配對, 并將它們整合到大腸桿菌基因組，首次擴展了生命遺傳密碼，使未來的生命形式有無限可能。2016年，美國Craig Venter研究所合成了最小支原體基因組JCVI-syn 3.0，精簡了大量非必需基因和半必需基因，使其僅含有473個基因，基因組大小為531000個堿基對，這種細菌具有已知生物體中規模最小的基因組。2018年，我國研究人員將單細胞真核生物釀酒酵母的16條天然染色體人工創建為具有完整功能的單條染色體，構建出世界首例人造單染色體真核細胞，為利用極簡生命形式理解染色體進化、研究生命本質開辟了新方向；2019年，美國研究人員將4種合成核苷酸與4種天然核苷酸組合，構建出由8種核苷酸組成的DNA，這些DNA分子的形狀和行為都具有一定的可行性，可以轉錄為RNA，極大地擴展了核酸儲存的信息密度等；同年，精簡了絲氨酸密碼子TCG、TCA和終止密碼子TAG，完成了大腸桿菌基因組1.8萬個密碼子的轉換，構建了僅有61個密碼子的大腸桿菌基因組。