1.5.3　創新應用成果凸顯

近年來，全球面臨日趨嚴峻的能源資源短缺、生態環境惡化、糧食安全、疾病危害等挑戰，高質量、高效率、可持續和主動健康成為生物產業發展和變革的主要方向，也是合成生物學的重要使命。設計功能強大、性能優越的人工生物系統，可實現燃料、材料及各類高值化學品的產業轉型升級和綠色發展；重塑構建植物的信號或代謝通路，可實現高效光合、固氮和抗逆，破解農業發展的資源環境瓶頸約束；創建人工細胞工廠，可實現稀缺天然產物、藥物的高效合成，推進醫藥健康產業的高質量發展；設計構建疾病發生發展的人工干預途徑，可實現基因治療、干細胞治療、免疫治療等生物治療領域的新突破；人工合成微生物及群落，可大幅提升環境污染監測、修復和治理能力，助力健康環境和生態文明建設。

在生物制藥領域，合成生物學通過設計和構建人工細胞工廠，為復雜天然產物的綠色高效合成提供了新的思路，在氨基糖苷類抗生素、核苷類抗生素、核糖體肽、萜類以及聚酮類化合物等天然藥物生物合成方面已經取得了諸多應用成果。通過設計和構建人工細胞工廠，Paddon等人在酵母菌中成功生產出青蒿素前體，將其產量從100mg/L提升到25g/L，成為合成生物學成果產業化的里程碑事件。斯坦福大學的研究人員在酵母菌中實現完全合成阿片類藥物，他們將植物、細菌和嚙齒動物基因混合導入酵母菌中，用改造過的酵母菌成功地將糖轉化為蒂巴因——嗎啡等止痛藥物的前體。Wang等人在代謝水平上清晰闡明鏈霉菌初級代謝到次級代謝的代謝轉換機制并進行工程應用，為實現聚酮類藥物乃至其他次級代謝生物活性產物高效、綠色的生物制造開辟了新思路。近年來，我國研究人員利用合成生物學技術改造的高產藥物菌株開始投入工業化生產，實現了納他霉素、玫瑰孢鏈霉菌達托霉素、他克莫司等藥物的生物合成。

在健康醫療領域，合成生物學可以利用細胞裝備生物傳感器檢測疾病靶標，并通過響應環境刺激來調控效應分子，激活下游信號通路，其以工程化細胞為基礎的新型治療方法為傳統醫學難以解決的問題提供了新思路和新手段。2017年，FDA批準了第一個CAR-T細胞治療藥物；Krawczyk等人利用合成生物學方法工程化改造人胰島β細胞，并利用定制的生物微電子設備實現對胰島素合成和釋放的精準調控，這是繼光、磁、無線電波、超聲等基因調控系統之后，又一項極具應用前景的遠程調控細胞功能的技術；Nissim等人構建了可響應細菌密度、氧含量和葡萄糖濃度等多種調控信號的生物傳感器，能夠實現響應腫瘤微環境驅動抗癌基因表達并釋放抗癌分子。此外，我國研究人員將含有組織型纖溶酶原激活劑信號肽基因的全長S基因克隆到工程化復制缺陷型人5型腺病毒中，構建出了有效的人體腺病毒載體新冠疫苗，還開發出了融合佐劑效應的人工設計納米顆粒疫苗，能夠有效增強體液免疫和細胞免疫效果。

在化學品合成領域，合成生物學研究已應用于第二代生物乙醇、生物柴油等生物燃料產品的研發。研究人員以工程化微生物作為底盤細胞，實現了乙醇、1,4-丁二醇、聚羥基脂肪酸酯等燃料的高效率、低成本和多樣化生產，開辟了微生物工程化煉制能源新途徑。例如，加州大學的研究人員通過改變大腸桿菌的氨基酸生物合成途徑首次成功合成長鏈醇燃料——其具有更高的能量密度，有望成為理想的替代生物燃料。此外，人工改造的藻類可通過光合作用合成生物石油，具有打造規模化生物燃料工業生產“細胞工廠”的發展空間。根據麥肯錫統計，未來生物制造將覆蓋約60%的化學品合成，合成生物學技術在能源、化工等領域具有改變世界工業格局的潛力。

在農業與食品領域，我國研究人員從頭設計并構建了11步反應的非自然固碳與淀粉合成途徑，在實驗室中首次實現從二氧化碳到淀粉分子的全合成；Lin等人在水稻和小麥原生質體中利用引導編輯系統實現16個內源位點的精準編輯，為植物基因組功能解析及實現作物精準育種提供了重要技術支撐。細胞培養肉技術是近年來興起的一種新型食品合成生物技術，其通過大規模培養動物細胞獲得肌肉、脂肪等組織，再經食品化加工生產得到肉類食品。研究人員通過構建正反饋基因線路設計等合成生物學技術改造和優化了巴斯德畢赤酵母，可生成大豆血紅蛋白，然后將其添加到人造肉餅中以模擬肉的口感和風味；已有研究人員通過基因工程和細胞工程等技術手段高效表達天然奶中的各種乳蛋白組分，陸續剔除乳糖、膽固醇、抗生素和致敏原等不良因子，獲得了人造乳制品。2022年，耶路撒冷希伯來大學證明了幾個雞品種的成纖維細胞自發永生化和遺傳穩定性，估計生產成本為每磅[1]1.8～4.5美元，是一種具有成本效益的細胞培養雞肉生產方法。

[1]　1磅等于0.45359237千克。——編輯注

在生物計算領域，2012年和2013年，Nature和Science分別刊登了哈佛醫學院George Church等人和歐洲生物信息研究所Goldman等人在DNA數據存儲領域的研究成果，這兩項研究的成功有賴于DNA合成和測序技術的巨大進步，使得合成與讀取數以萬計的DNA分子成為可能。在此之后，DNA數據存儲領域的新進展如雨后春筍般涌現。例如，天津大學合成生物學科研團隊創新DNA存儲算法，通過將 DNA合成技術與糾錯編碼結合，將10幅敦煌壁畫存入DNA，并證實壁畫信息在實驗室常溫下可保存千年，證實了DNA分子已成為世界上最可靠的數據存儲介質之一。美國華盛頓大學開發了用于體內分子記錄的“DNA打字機”，記錄和解碼了數千個符號、復雜事件歷史和短文本消息，結合單細胞測序重建3257個細胞的單系譜系，展示了一個能在活真核細胞內運行的人工數字系統。生物分子計算伴隨著合成生物學的興起而不斷發展，DNA等納米材料不僅可用于邏輯運算，還可以構造神經網絡，并從訓練數據中進行學習，為在分子層面實現神經擬態計算提供了可能。以碳基生物合成材料作為計算機存儲與運算介質，有望制造運算速度和存儲能力大幅度增強的新型分子計算機，具備分析、判斷、聯想、記憶等功能，給經濟社會發展和人類生活帶來難以估量的顛覆性影響。