合成生物学：开启生命科学“会聚”研究新时代
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从使能技术创新到工程化平台建设
颠覆性使能技术是支撑合成生物学发展的关键，而 DNA 合成以及高效基因组编辑技术都是其核心使能技术。现有基因合成的主流方法是基于寡核苷酸合成仪来合成寡核苷酸，然后在此基础上利用 PCR 等手段来进行基因合成；该技术的工程化使合成通量大幅度提高，催生了众多生物公司开展基因合成业务，合成价格也因此极大降低。但是，为进一步降低超长序列（如基因组）合成的成本，不少团队正在研发基于芯片法合成高精度寡核苷酸池，配以不同的拼接手段实现最后拼接的方法。除化学合成寡核苷酸的方法外，科学家也在探索利用末端转移酶（terminal deoxynucleotidyl transferase, TdT）直接快速合成 DNA，有希望直接合成比目前方法长 10 倍的 DNA 链，且不需要使用毒性化学物。当然，随着 DNA 合成价格的降低，基于 DNA 的信息存储也将是未来一个很有前景的发展方向。
科学家一直在探索实现对基因组（特别是高等生物基因组）的精准编辑，曾研发了锌指核酸酶（Zinc-finger nucleases, ZFN）和转录激活因子样效应因子核酸酶（transcription activator-like effector nucleases, TALEN）等方法。由于 CRISPR 系统的高效、方便、廉价等优点，这两种方法在 CRISPR 系统发展起来之后被逐渐淘汰。从 2012 年起，科学家利用 CRISPR-Cas 体系的可编程和精准切割等特点陆续发展了一系列基因组编辑的工具，其宿主范围目前已经覆盖了从细菌到高等生物，而且还在不断增加中。
CRISPR-Cas 介导的基因组编辑的基本原理是利用向导 RNA 介导 Cas 蛋白在特定的靶标序列处引起 dsDNA 的断裂，然后利用同源重组方法进行精准的 DNA 序列替换或利用非同源末端连接方法进行靶标基因的中断。在此基础上，一系列衍生方法得以发展，如利用只切割一条链的 Cas9 切口酶（Cas9-nickase）突变体连组合来降低基因组编辑的脱靶率。最近，基于 CRISPR 发展起来的单碱基编辑器在不造成靶标 DNA 断裂的情况下，通过对特定的碱基进行脱氨来进行基因组的精确编辑，被认为有较好的发展前景。此外，利用失活的 Cas 蛋白还可以进行靶标基因的转录调控、表观遗传修饰研究和基因组的成像等。值得一提的是，除了基因组编辑外，Cas13、Cas12 以及 Cas14 等蛋白在结合了靶标 DNA 后会诱发其旁路切割活力，进而被开发成下一代分子诊断技术；在该方向上，我国的科学家也做出了原创性的成果。
生命体具有高度复杂性，人工设计的基因线路很难完全按照预期工作，往往需要长时间的反复调谐。克服这一难题的最有效手段，是建立工程化研究平台，大批量测试多种元件、线路、底盘的组合，获取海量实验数据，以指导进一步工程优化与理性设计。工程化平台的核心合成生物研究的自动化设施，亦称为生物铸造厂，依照“设计—构建—测试—学习”的闭环策略组织工艺流程，进行工程化的海量试错，从而快速获得具有目标功能的合成生命体。如美国劳伦斯伯克利国家实验室的 Agile BioFoundry，美国伊利诺伊大学的 iBioFAB，美国麻省理工学院的 MIT-Broad Foundry，英国帝国理工学院的 London DNA Foundry，以及产业界的 Amyris 公司、Zymergen 公司、Ginkgo 公司等。在此背景下，我国规划由中国科学院深圳先进技术研究院承担建设全球最大的合成生物研究重大科技基础设施。值得指出的是，从原创发现到产业化应用，仅仅依赖于自动化设施是不够的。例如，人工酵母细胞生产青蒿素，是合成生物学领域目前最成功的产业化案例。项目领导者美国 Jay Keasling 教授，围绕工程化平台建立了完整的研发体系——由劳伦斯伯克利国家实验室负责上游原创发现，联合生物能源研究所（JBEI）负责中游技术开发，Amyris 公司负责下游产业应用的创新链条。这些围绕工程化平台的体制与机制创新，值得深入研究与思考，为充分发挥我国重大科技基础设施对合成生物学研究、创新与产业的巨大推动作用提供重要借鉴。