• 1合成生物学：开启生命科学“会聚”研究新时代

自然科学各学科的研究对象在时空尺度上的差别与相连，既决定了学科间的差别，也决定了学科间的交叉。生物学在发展到以机理研究为主的“生命科学”阶段后，得益于学科交叉和技术创新，在20世纪“分子生物学”和“基因组学”革命基础上，通过引入工程学理念，形成了“合成生物学”，并迅速形成“会聚研究”的第三次革命。文章在阐述合成生物学的内涵并回顾其学科发展历程与取得成果的基础上，特别提出了合成生物学的科技支撑与社会治理问题，期望引起科学界、社会公众与政府管理层面的关注。

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• 2符合工程化需求的生物元件设计

从合成生物学的角度来认知生命，其本质是可数据化与可设计性。生命体中绝大多数的催化功能是由酶来实现的，因此催化元件是合成生物学中最核心的元件之一。序列决定构象，而构象则决定功能。基于空间结构的催化元件序列数字化设计，是合成生物学研究的重要热点和前沿领域。它既可为开发合成生物学功能器件，特别是全新化学催化器件提供大量原型分子，同时也为发展模块化、工程化调控元件提供设计模板和指导规律。文章针对近年来出现的生物元件，尤其是催化元件的前沿进展进行简要介绍。

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• 3人工基因线路的研究进展和未来挑战

基因线路是生命体对自身生命过程控制的动态调控系统。在工程化的设计原理的指导下，人工基因线路是对天然基因调控线路进行简单化处理和重新编程，以及引入自然界不存在的人造法则。人工基因线路由遗传开关、生物振荡器、逻辑门等组成，以执行诸多调控功能。多种多样的人工基因线路设计与构建，不仅极大地促进了人们对生命调控基本规律的认识，也进一步丰富了人们对天然的生物系统进行改造、再创的手段，并为医药健康、农业环境和工业发酵等领域的实际需求提供了全新解决方案。虽然在过去 20 年里，人们在人工基因线路领域取得了丰硕的研究成果，但是细胞体内蕴含着的众多复杂生化反应和信号传导途径，为设计和组装具有更加高级功能的基因线路带来了挑战。相应地，如何实现微小细胞内复杂基因线路的可预测设计组装，如何保障基因线路在复杂的体内外环境下发挥稳健的功能，将成为未来几年人工基因线路研究的关键核心问题和势必克服的重大挑战。

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• 4面向生物合成的代谢工程策略设计

代谢工程研究的主要目的是通过改造菌株代谢网络，高效地合成目的产品。由于细胞代谢网络的复杂性，从数千个代谢反应及其调控回路中找到合适的改造靶点非常困难，往往要经过反复试差才能成功。通过对大规模代谢网络的计算分析，设计出特定生物产品的最优合成途径，可以帮助人们找出合适的代谢工程改造策略，减少改造过程的盲目性，更快更好地得到生物合成菌株。文章重点讨论两个问题：如何设计代谢网络来合成原来不能合成的产品并提高产品得率，介绍了基于代谢网络计算分析的代谢工程设计方法；如何设计菌株实现酶反应的精准调控，介绍了通过设计基因回路动态调控代谢途径流向的动态代谢工程研究新进展。

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• 5DNA的合成、组装及转移技术

合成生物学作为新近迅速发展的交叉学科，已在生物医药、能源、新材料等领域展现越来越广泛的应用潜力。合成基因组学作为合成生物学的重要研究方向，着重于新生命体系的从头设计与合成，其以 DNA 合成、拼装和转移等核心技术为支撑。文章对当前基因组合成相关技术进行了阐述，以系统了解该技术体系中存在的问题，便于寻找突破点，把握发展契机。

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• 6基因编辑技术：进展与挑战

基因编辑是指对目标基因进行删除、替换、插入等操作，以获得新的功能或表型，甚至创造新的物种。作为生命科学发展迅速的重要研究领域，基因编辑技术的开发及应用使得生物体的遗传改造进入了前所未有的深度与广度，为解析特定基因的功能立下了汗马功劳。文章对当前基因编辑相关技术，及我国在基因编辑领域存在的挑战及机遇进行概述，以增进对该技术体系的整体认知，帮助更好地寻找该领域新的突破点。

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• 7人工细胞的表型测试与分选：构建从光谱学到遗传学的桥梁

近年来，基因组测序、编辑与合成技术日新月异，推动了基因型“设计”和“合成”能力的突飞猛进，同时也使人工细胞的表型检测成为合成生物学发展的瓶颈环节之一。对于细胞功能的快速测试与评价，单细胞分析技术具有重要意义与前景，但理想的解决方案需要具备活体无损、非标记式、提供全景式表型、能分辨复杂功能、快速高通量且低成本、能与组学分析联动等特征。以此为出发点，文章重点介绍了基于非标记式分子光谱学的单细胞功能表征、分选与组学技术体系的进展，并讨论了该领域的关键问题与发展方向。多种光谱技术之间扬长避短的运用与多模态成像，结合高通量的光谱激活细胞分选技术及下游单细胞组学技术，正构建与拓展着一条连接光谱学与遗传学的广阔桥梁。这一桥梁不仅为细胞工厂的高通量、全景式表型检测与筛选提供全新的解决方案，还将推动“单细胞精度的光谱表型组-功能基因组”作为一种新的生物大数据类型，服务于“数据科学”驱动下的合成生物技术。

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• 8基因组的设计与工程化构建

合成生物学是利用工程化的思想来设计和构建新的生物基因组，是近年来的研究热点。近年来，对原核细胞支原体天然小基因组进行从头合成并进一步设计与构建最小基因组，对原核模式生物大肠杆菌基因组的不断删减及全基因组密码子简约化设计与人工合成测试，以及对真核模式生物酿酒酵母基因组人工设计与合成测试都取得了很大成功，极大地促进了我们对生命的理解。我国的基因组的设计与工程化构建方面的研究虽然起步较晚，但近年来取得了国际瞩目的成果。基因组的设计与构建为深入了解生命起源与进化，并为进一步构建具有强大应用功能的新型生命体奠定了基础。

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• 9合成生物学工业应用的现状和展望

通过合成生物学技术可以实现化学品的生物合成，从而为摆脱石油资源依赖提供了可能。合成生物学技术的发展极大地提高了微生物细胞工厂生产化学品的能力，创造的新菌种、新工艺可以有效替代传统工艺，显著降低污染，大幅减少能耗，提升传统发酵行业的技术水平。文章对利用合成生物学技术构建细胞工厂以及构建多酶分子机器来生产化学品的关键因素和典型案例进行了综述，并对合成生物学技术工业应用的未来进行了展望。

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• 10合成生物学的医学应用研究进展

在医学应用领域，合成生物学以人工设计的基因线路改造人体自身细胞，或改造细菌、病毒等人工生命体，再使其间接作用于人体。这些经人工设计的生命体能够感知疾病特异信号或人工信号、特异性靶向异常细胞和病灶区域、表达报告分子或释放治疗药物，从而实现对人体生理状态的监测，以及对肿瘤、代谢疾病、耐药菌感染等典型疾病的诊断与治疗。文章将综述了合成生物学的医学应用领域近期的一些研究进展。

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• 11植物天然产物合成生物学研究

植物天然产物在医药健康领域有着广泛的应用。从植物中直接提取是目前生产植物源天然产物的主要方法，但此法在环境、安全和效率等方面存在诸多问题。基于合成生物学的理念，创建人工细胞工厂发酵生产植物源天然产物是一种新的资源获取模式。文章将从研究路线出发，在萜类、苯丙素类和生物碱等化合物的生产应用案例中，介绍人工合成细胞生产植物源天然产物的研究现状。

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• 12光合作用合成生物学研究现状及未来发展策略

首先介绍光合作用在国际及国内研究现状，进而简介当前光合作用合成生物学作为一个新兴学科其主要研究范围及进展，提出我国光合作用合成生物学研究目前面临提高其研究系统性、与需求更紧密结合及提高支持力度等需求。鉴于光合作用对未来粮食安全、能源安全及可持续性生态环境维持具有重要战略意义，其未来发展需聚焦于已有光合作用系统优化、光合系统与光合同化产物利用途径协同、跨物种间光合系统重构、全新光合途径构建、光合系统与生物材料耦合等研究方向。

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• 13合成生物学研究的工程化平台

合成生物学研究中，海量的工程化试错实验远远超出传统的劳动密集型研究范式的能力范畴，因而亟需一种变革性的工程化研究平台。工程化平台通过引进各类符合生产所需的智能装备，开展大规模个性定制模式创新，实现生命体的远程定制、异地设计、规模经济生产。工程化平台能够快速积累经验知识，是实现生命体可预测合成的科学基础。文章介绍了合成生物学研究的一些工程化平台，及其上下游机构的发展案例、创新机制与趋势。

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• 14创新政策体系 保障合成生物学科技与产业发展

近年来，合成生物学飞速发展，为生命科学研究带来了新思维、新方法，不仅极大提升了人类对生命本质的理解，由此催生科学与技术、文化与产业的革命，也引发了合成生物学领域在研发投入、产业转化、教育培训、知识产权、公众认知，以及伦理和生物安全监管等方面的讨论。文章梳理了合成生物学科技与产业发展在政策与管理方面的挑战，以及已有的一些策略和实践，提出加强顶层设计、明确监管责任，建立技术标准、规范市场准入，重视教育培训与科普宣传平台建设，构建政府部门、科技界、教育界、产业界、公众共同参与的创新政策体系及综合治理体系等建议。

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• 15设计生命：合成生物学的安全风险与伦理挑战

合成生物学的快速发展引起学界的广泛关注。合成生物学的工程特性赋予其“设计”和“重构”的实践内涵，人为设计的生命得以加入传统的以  DNA 为基础的生命进化进程，进而引发了一系列安全风险和伦理问题。文章探讨了合成生物学发展历程中的标志性事件所引发的伦理争议，剖析了合成生物学面临的安全风险、伦理困境及其诱因，在借鉴欧美国家监管机制的基础上，提出我国合成生物学伦理监管的思路。

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