合成生物学：开启生命科学“会聚”研究新时代
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代谢工程
代谢工程研究的主要目的是通过对底盘（体外—分子机器；体内—细胞工厂）代谢途径或网络的设计、改造、构建，使其能够产生符合人类要求的产物，并逐步提高其效率。由于细胞代谢网络的复杂性，很难从上千个代谢基因及其调控线路中找到合适的改造靶点，而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，更快地得到适合的菌株。最具代表性的工作就是对青蒿素前体途径的工程化优化构建（包括元件的适配），最终形成优化的酵母青蒿酸合成途径，并授权赛诺菲（Sanofi）公司生产，成为合成生物学应用于实践的一个重要里程碑。2015 年，研究人员又在酵母中实现阿片类药物全合成，这是目前在微生物中构建的最长的植物天然化合物代谢途径。
代谢工程已达到构建可预测合成途径模型的水平，能够利用有关宿主细胞代谢体系的信息，结合所有已知、预测的酶功能信息，来确定感兴趣的代谢途径。通过基因组挖掘获得的外源酶功能信息，对模型途径进行正向工程改造，填补宿主细胞代谢体系的空白。多家团队在大肠杆菌底盘基础上，改变其氨基酸生物合成途径，成功地产出异丁醇、脂肪酸类生物柴油、汽油，以及生物塑料 1,4- 丁二醇。研究人员还将合成调控通路整合到生产株系中，实现了代谢途径随代谢中间产物或环境条件的动态调控。当然，如何使工程线路在与细胞系统的互作中进行代谢流的动态调控，仍然是代谢工程要面对的挑战之一。
随着我国在能源材料、环境生态和人民健康方面的需求不断增长，迫切期望利用合成生物学技术提高代谢工程的效率。一方面，在过去几年中，以中国科学院天津工业生物技术研究所为代表，在我国生物工程方面积累的基础上，迅速形成了一批可用于工业转化的代谢工程的研发成果。另一方面，结合中医药学的丰厚积累及我国在天然药物开发方面形成的化学生物学基础，我国科学家近年来在植物天然化合物的细胞工厂合成方面也取得重要进展。一批药食用天然化合物（如萜烯类、甾体类、黄酮化合物、抗生素等）的器件挖掘、集成及异源合成与调控均有重要突破，打通了从珍稀植物基因组测序、基因挖掘到重组合成的通道，获得不同性能的重组细胞。在酵母细胞工厂中实现了从葡萄糖分别到稀有人参皂苷 CK、Rh2、Rg3、F1 和 Rh1 的从头合成并通过优化使产量有了突破性进展，其中一部分正进入药物开发研究。此外，创建了全新的多酚类氨基酸衍生药物的生物合成路径，实现了丹参素的高效生物合成（7.1 g/L）；突破了从简单糖到甾体激素前体的生物合成，实现了7-脱氢胆固醇（49.9 mg/L）、菜油甾醇（355 mg/L）等多个甾醇药物前体的高效合成。上述工作，不仅具有从微生物到动植物天然化合物的“新草本”创新性特色，而且具有生物学与药物化学及生理病理学结合的“生物医药”转化性特色，代表了我国代谢工程发展的重要方向。