中国网/中国发展门户网讯    当前，国际科技竞争已从单一技术点的比拼，转变为国家创新体系整体效能，特别是基础研究策源能力的全面竞争。合成生物学被视为继分子生物学革命和基因组学革命之后的“第三次生物技术革命”，以工程化思维探索生命系统的设计构建，兼具基础前沿性、学科交叉性与产业颠覆性，既是探索“建制化基础研究”新范式的典型领域，也有望成为驱动未来生物经济发展的核心引擎。

然而，近20年来，随着DNA合成、基因编辑等技术快速革新，人们构建合成生物系统的能力迅速提升，但理性设计的能力仍然有限。大部分合成生物系统的构建仍依赖反复试错，速度慢、效率低，严重制约学科发展。缺乏理性设计已成为国际共识的核心瓶颈：当生命系统的复杂性远超人类直觉和经验所能把握的范围，传统的定性描述与试错积累便难以支撑精密设计的需求。正是在这样的背景下，定量合成生物学作为一种新的研究路径被提出，尝试从原理层面回应理性设计的难题。这条路径能否走通，不仅关乎合成生物学能否实现“设计生命”的愿景，更关乎我国能否在这一前沿领域走出一条自主探索的道路。

范式转移呼唤科研模式变革：由自由探索迈向建制化

定量合成生物学提出的必要性

合成生物学之所以面临理性设计瓶颈，根源在于生命系统固有的复杂性。生物分子、基因线路与细胞环境之间存在着多层次、非线性的相互作用，这使得系统的整体行为难以从元件特性简单外推。因此，当生物元件被组合在一起时，常常很难预测功能如何“涌现”出来。“预测”这一关键环节缺乏坚实的理论基础，便导致“设计—合成—测试—学习”的工程学闭环难以闭合。

这一困境并非合成生物学独有的挑战，而是复杂系统研究的共性问题。历史上，当一门学科从描述现象走向探索原理、从积累经验走向工程构建时，定量化与理论化往往是必经之路。化学从炼金术走向现代化学，离不开拉瓦锡引入定量测量；气候科学从天气记录走向气候预测，离不开数理模型的建立。合成生物学正站在类似的转折点上：构建能力已走在前列，而设计能力仍然亟须理论支撑。定量合成生物学的产生正是为了回应这一需求，它吸收定量生物学与系统生物学的思维方法，试图建立可定量预测生物系统行为的数理或人工智能（AI）模型，为理性设计提供依据。这一方向的兴起，反映了合成生物学从“能够构建”向“能够设计”的内在发展要求。

从国家战略需求来看，这一范式转移同样具有紧迫性。合成生物学涉及生物制造、生物医药、未来农业、能源环境等战略性领域，理性设计能力直接关系到关键技术的自主可控。如果长期停留在“试错式”构建阶段，不仅难以提升研发效率，更难以在原理层面形成自主知识产权，容易在核心理论与关键技术上被动依赖。因此，发展定量合成生物学，不仅是学科发展的内在逻辑使然，也是保障我国生物经济长远竞争力的战略所需。

我国科学家的前期探索

在定量合成生物学的探索中，我国科学家较早认识到这一方向的重要性，开始了系统性的实践，并形成了相对先发的布局。其主要得益于以下3个方面的因素。

在平台能力建设上提前布局。定量研究高度依赖高质量数据的获取能力。传统生物学研究多采用“作坊式”小规模手工操作，数据通量低、标准化程度不足，难以支撑理论模型的构建与验证。我国建成了全球首个面向合成生物学的全自动大科学平台“深圳合成生物研究重大科技基础设施”，为系统获取标准化数据提供了条件，也为定量合成生物学的发展奠定了方法论基础。

在组织形态上积极探索。定量合成生物学是典型的交叉学科方向，需要数学、物理学、计算机科学等不同学科背景的研究者紧密协同，传统基于单一学科、单一课题组的研究模式难以胜任。我国依托定量合成生物学全国重点实验室等平台，开始探索多学科团队有机整合、“分可独立作战、聚可合力攻关”的科研组织新形态，为这一方向的发展提供了组织保障。

目前，这一方向的研究已引起国际学术界的高度认可与积极响应。国内外学术期刊相继推出定量合成生物学专辑，国际会议设立相关专题，一些国际科研机构也开始沿此方向布局。这些趋势表明，在合成生物学发展的关键转折期，中国学者提出的研究方向契合了学科发展的内在逻辑，起到了引领作用。

范式转移对开展建制化科研的需求

定量合成生物学所代表的研究范式转移，对科研组织方式提出了与以往不同的要求。这一判断基于以下逻辑。

定量合成生物学的核心科学问题“生命功能如何涌现”是一个需要多学科、多层次协同攻关的系统性命题。它涵盖从分子尺度到细胞尺度的多个层面，涉及能量代谢、信息处理、物质组装等不同物理化学过程的协同运作。没有任何单一学科与单个课题组能够覆盖所需的全部研究手段，这就要求将不同学科的力量围绕共同的科学目标有机组织起来。

定量研究的本质是寻找数据背后的规律，而规律的发现和验证高度依赖大规模、标准化、可比较的数据。传统各实验室分散探索的研究模式，实验条件难以统一、数据标准难以对齐，不利于有效的数据汇聚和规律挖掘。建设共享的实验平台、制定统一的数据标准、推动协同的实验验证，这些是开展有组织科研的重要手段。

这一领域的关键里程碑之一，是理解生命如何从非生命物质中涌现，并实现利用无生命的大分子构建出具有生命基本属性的人工合成细胞。这是一个需要长期积累、持续投入的宏大科学工程。从1828年尿素合成实现无机物合成有机物，到1965年中国科学家成功合成结晶牛胰岛素实现有机物合成生物大分子，再到当今利用生物大分子构建单细胞生命的努力，每一步跨越都经历了数十年甚至上百年的积累。这种超越个人学术生涯周期的长线目标，需要国家层面的战略定力和有组织的持续支持。

建制化科研：为范式探索提供坚实支撑

使命驱动与自由探索相融合的组织模式

定量合成生物学的交叉性决定了其科研组织需要打破传统的学科壁垒。然而，建制化科研并非意味着对自由探索的排斥，关键在于在清晰的战略目标框架下，为不同性质的研究留出恰当的空间。定量合成生物学全国重点实验室探索的路径是：围绕“生命功能涌现定量原理”等核心命题，以自上而下的重大任务凝聚多学科力量，同时以“原创项目”等形式支持青年科学家自主选题、探索“无人区”，努力使战略牵引与自由探索形成互补而非替代的关系。

重大科技基础设施的战略支撑

如前所述，定量研究依赖高质量、标准化的数据。我国已建成的深圳合成生物研究重大科技基础设施，其规模与通量居国际前列，为突破传统“作坊式”研究的数据瓶颈提供了条件。然而，面向人工合成细胞等更高目标，对实验精度、数据通量和标准化程度提出了更为严苛的要求。加快建设国家级人工合成细胞基础设施及元件库、标准品库与数据共享平台，逐步弥合“精度鸿沟”与“数据孤岛”，是全国协同攻关亟待推进的基础性工作。

复合型人才梯队的系统培养

定量合成生物学要求研究者兼具数理建模能力与生物学实验素养，这种复合型人才在现有学科培养体系中较为稀缺。有组织的科研对人才的需求并非简单数量的叠加，而是结构合理、梯次衔接、协同高效的人才矩阵。这需要自主培养与开放引才并举：一方面，依托重大任务和大设施，在实践中锻炼兼具战略视野与一线研究能力的科研骨干；另一方面，以开放的姿态吸引不同领域的人才加入，逐步形成能够支撑长期攻关的人才梯队。

以开放合作推动学术共同体建设

定量合成生物学作为全球合成生物学界共同面对的前沿方向，其发展需要广泛的国际交流与合作。近年来，我国学者牵头发起“亚洲合成细胞联盟”，牵头主办与推动“亚洲合成细胞”系列年会，并牵头联合亚洲6个国家、100多个实验室提出首个亚洲合成细胞路线图，在国际合成细胞领域发出亚洲声音；主办首届“合成细胞全球战略峰会”实现亚洲、欧洲、北美学术力量的首次系统性交流，并成功促成建立全球轮席举办的长期机制，切实推动合成细胞研究的全球联动。这些工作表明，在开放合作中积极参与议程设置、促进学术共同体的健康生长，是推动这一方向持续发展的重要方式。

建制化转化：加速推动前沿探索赋能经济社会发展

基础研究的长期价值，最终需要通过推动经济社会发展来体现。定量合成生物学所追求的理性设计能力，若能逐步实现，有望缩短生物制造的研发周期、提升构建成功率，从而带来成果转化效率的显著提升。这就需要在范式探索的早期就将转化生态纳入考量，让前沿创新与产业应用形成良性互动。

探索“组团打包”的系统性转化模式。合成生物学的产业应用往往涉及底盘细胞、代谢途径、工艺参数等多个环节的系统集成，传统的点对点零散转化效率有限。推动科研机构与企业开展整建制的合作，围绕产业需求系统性输出技术群、人才群与解决方案，可能是一条值得尝试的路径。近年来，国务院国有资产监督管理委员会与中国科学院推动的央企与科研机构体系化合作，已在合成生物等领域签署多项协议，为“串珠成链”的转化模式积累了初步经验。

构建“需求牵引研发、资本催化转化、产业反哺创新”的闭环。例如，在深圳，依托大设施、全国重点实验室和新型研发机构，探索“楼上楼下”创新创业综合体等模式，尝试让科研人员在攻关的同时“沿途下蛋”；同时依托国内生物制造领域首个国家级产业创新平台（国家生物制造产业创新中心），探索将科研成果从实验室到企业的线性转化模式转变为非线性互动式模式，将实验室级别的阶段性研究成果加速推向应用。在前期的探索中，在改造细菌生产贻贝蛋白、改造酵母生产角鲨烯、改造细菌治疗实体瘤等方面，开展了相关成果的转化实践，为未来更高目标的产业化积累了有益的模式探索经验。

总结与展望

面向2035年建成科技强国目标，定量合成生物学作为合成生物学发展逻辑的内在要求，其探索与实践既需要长期稳定的科学投入，也需要组织模式的持续创新。中国学者在这一方向上较早布局并取得了一些进展，这为打造定量合成生物学研究的中国学派提供了可能的基础。然而，这还只是一个开始。通过持续完善新型科研组织模式、夯实重大科技基础设施体系、培育复合型人才梯队、深化开放合作，推动建制化成果转化与协同创新生态建设，逐步实现从科学发现到技术应用再到产业发展的价值循环，才能为合成生物学这一前沿领域的发展作出切实的贡献，为培育和发展新质生产力提供基础研究的战略支撑。

（作者：刘陈立，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室。《中国科学院院刊》供稿）