合成生物学：开启生命科学“会聚”研究新时代

转化与应用研究

利用合成生物学技术，有可能解决长期困扰基因治疗和生物治疗的一系列技术难题，为癌症、糖尿病等复杂疾病开发出更多有效的药物和治疗手段；也有可能突破生物燃料发展的技术瓶颈，模拟乃至设计出更加简单高效的生物过程，生产出更复杂的天然产品，合成出更多的有机化工产品。

在医疗领域，除目前已广为关注的 CAR-T 等细胞治疗技术，设计合成促进细菌入侵肿瘤细胞的线路也是合成生物学理念指导下细胞工程的一个开拓性事例，也是细胞治疗的一个早期例子。此后，工程噬菌体疗法和细胞疗法也不断成熟，如通过工程手段构建益生大肠杆菌，能够识别并消灭绿脓假单胞菌，也可以通过表达异源群体感应信号，阻断霍乱弧菌的毒害。

近年来，我国科学家利用合成生物学技术改造的若干高产药物的菌株开始投入工业化应用，发酵水平达到国际或国内领先水平，新增销售额近 10 亿元人民币。利用基因表达浓度梯度调控技术改造纳他霉素合成酶之间的适配性，纳他霉素发酵水平最高达 15.0 g/L；解析和重组了玫瑰孢链霉菌达托霉素生物合成过程的级联调控机制和关键基因，达托霉素发酵单位达 2.5 g/L 以上；重构筑波链霉菌中的他克莫司合成模块，实现他克莫司最高发酵单位 1 405 μg/mL。

生物燃料领域，研究人员利用合成拨动开关和群体感应系统，协调生物量扩张和乙醇生产；设计并构建了生产生物柴油的大肠杆菌，并实现了多功能模块的集成，通过在大肠杆菌中引入外源酶，使其同时具有合成脂肪酯、脂肪醇及蜡，并可利用简单五碳糖为底物的多种功能，开辟了微生物工程化炼制能源的新途径。

在化学品生物合成方面，基于化学反应特征和胞内调控位点，计算设计与合成表征了满足数百种重要化学品生物合成的功能元件，为化学分子合成途径和高效人工合成细胞创建奠定了物质基础功能元件。利用 DNA 组装和精确表达调控技术，创建和优化了从葡萄糖到丁二酸、戊二胺、己二酸、5- 氨基乙酰丙酸等途径。其中，5- 氨基乙酰丙酸产量达到 50 g/L，比国际水平高 5 倍；丁二酸产量达到 125 g/L，产物对底盘葡萄糖的转化率为 105%（可部分固定 CO₂），技术指标处于国际领先水平，并已经开始产业转化。在对光合蓝细菌底盘细胞的生理调控机制进行系统研究和形成较为完整的理解和认识的基础上，构建了一系列获得抗逆性能提高的光合蓝细菌底盘细胞，通过光合模块、CO₂固定和生物合成模块的重构和优化，实现了从 CO₂生物合成酮、醇、酸等典型化合物，为发展和利用新的碳资源提供了可能，其中丙酮、D- 乳酸和 3- 羟基丁酸均为国际上首次报道。

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