合成生物學是生物科學在二十一世紀剛剛出現的一個分支學科，近年來合成生物物質的研究進展很快。合成生物學與傳統生物學通過解剖生命體以研究其內在構造的辦法不同，合成生物學的研究方向完全是相反的，它是從最基本的要素開始一步步建立零部件。
合成生物學與基因工程把一個物種的基因延續、改變並轉移至另一物種的作法不同，合成生物學的目的在於建立人工生物系統（artificial biosystem），讓它們像電路一樣運行。
基本介紹
- 中文名：合成生物學
- 外文名：synthetic biology
- 提出者：Hobom B.
- 提出時間：1980年
簡介,理論背景,發展歷程,套用前景,發展的重要性,發展現狀,
簡介
合成生物學（synthetic biology），最初由Hobom B.於1980年提出來表述基因重組技術，隨著分子系統生物學的發展，2000年E. Kool在美國化學年會上重新提出來，2003年國際上定義為基於系統生物學的遺傳工程和工程方法的人工生物系統研究，從基因片段、DNA分子、基因調控網路與信號傳導路逕到細胞的人工設計與合成，類似於現代集成型建築工程，將工程學原理與方法套用於遺傳工程與細胞工程等生物技術領域，合成生物學、計算生物學與化學生物學一同構成系統生物技術的方法基礎。
合成生物學是指人們將“基因”連線成網路，讓細胞來完成設計人員構想的各種任務。例如把網路同簡單的細胞相結合，可提高生物感測性，幫助檢查人員確定地雷或生物武器的位置。再如向網路加入人體細胞，可以製成用於器官移植的完整器官。讓·維斯是麻省理工學院計算機工程師，早在他讀研究生時就迷上了生物學，並開始為細胞“編程”，現在已成為合成生物學的領軍人物。維斯的導師、計算機工程師和生物學家湯姆·奈特表示，他們希望研製出一組生物組件，可以十分容易地組裝成不同的“產品”。研製不同的基因線路———即特別設計的、相互影響的基因。波士頓大學生物醫學工程師科林斯已研製出一種“套環開關”，所選擇的細胞功能可隨意開關。加州大學生物學和物理學教授埃羅維茨等人研究出另外一種線路：當某種特殊蛋白質含量發生變化時，細胞能在發光狀態和非發光狀態之間轉換，起到有機振盪器的作用，打開了利用生物分子進行計算的大門。維斯和加州理工學院化學工程師阿諾爾一起，採用“定向進化”的方法，精細調整研製線路，將基因網路插入細胞內，有選擇性地促進細胞生長。維斯目前正在研究另外一群稱為“規則系統”的基因，他希望細菌能估計刺激物的距離，並根據距離的改變做出反應。該項研究可用來探測地雷位置：當它們靠近地雷時細菌發綠光；遠離地雷時則發紅光。維斯另一項大膽的計畫是為成年幹細胞編程，以促進某些幹細胞分裂成骨細胞、肌肉細胞或軟骨細胞等，讓細胞去修補受損的心臟或生產出合成膝關節。儘管該工作尚處初級階段，但卻是生物學調控領域中重要的進展。
合成生物學的研究
合成生物學的研究理論背景
依據自組織系統結構理論- 泛進化論（structurity, structure theory, pan-evolution theory），從實證到綜合（synthetic ）探討天然與人工進化的生物系統理論，闡述了結構整合（integrative)、調適穩態與建構（constructive）層級等規律；因此，系統（systems）生物學也稱為“整合（integrative biology）生物學”，合成（synthetic）生物學又叫“建構生物學（constructive biology）”（Zeng BJ.中譯）。系統與合成生物學的系統結構、發生動力與磚塊建構、工程設計等基於結構理論原理，從電腦技術的系統科學理論到遺傳工程的系統科學方法，是將物理科學、工程技術原理與方法貫徹到細胞、遺傳機器與細胞通訊技術等納米層次的生物分子系統分析與設計。
合成生物學的研究
合成生物學的研究合成生物學（synthetic biology），也可翻譯成綜合生物學，即綜合集成，“synthetic”在不同地方翻譯成不同中文，比如綜合哲學（synthetic philosophy）、“社會-心理-生物醫學模式”的綜合（synthetic）醫學（genbrain biosystem network - 中科院曾邦哲1999年建於德國，探討生物系統分析學“biosystem analysis”與人工生物系統“artificial biosystem”，包括實驗、計算、系統、工程研究與套用），同時也被歸屬為人工生物系統研究的系統生物工程技術範疇，包括生物反應器與生物計算機開發。
“21世紀是系統生物科學與工程 - 也就是生物系統分析學與人工生物系統的時代，將帶來未來的科技與產業革命”。系統（system）、整合（integrative）、合成（synthetic）或綜合生物學各有偏重點，系統（system）、結構（structure）、圖式（pattern）遺傳學也存在偏重點，但整個屬於系統生物科學與工程領域。系統科學方法與原理源自坎農的生理學穩態機理和圖靈的計算機模型及圖式發生的研究，又套用於生物科學與工程。計算機科學中的圖形識別被翻譯成“模式”，但生物學中又有將“model animal”翻譯成模式動物，在認知心理學和發育生物學中也有的翻譯成“圖式”；因此，綜合翻譯成“圖式”（patten），而且也包括了“系統（scheme或system）”與“完形（gestalt或configuration）”等含意。21世紀伊始，進入了系統生物學與工程迅速發展的時代，而系統遺傳學與合成生物學（系統遺傳工程或轉基因系統生物技術）是其核心，並將帶來的是系統醫學與生物工業革命。1997年曾邦哲（Zeng BJ.）設計與操作的一個典型的系統生物學非加和性抗藥細胞實驗：CHO細胞用化學誘變劑甲磺酸乙脂處理一次篩選到抗10uM和20uM洛伐他汀的細胞系，再用甲磺酸乙脂處理一次抗10uM洛伐他汀的突變細胞系篩選到高到可抗70uM洛伐他汀的細胞系，70uM遠大於2X20uM=40uM，說明基因與基因的相互作用是非加和性的，也就是系統遺傳學的經典實驗。
發展歷程
早期的安全性套用的合成生物製藥可能會適當處理現有的管架構，生物醫藥，特別是在載實驗室和生產設施。但是，進一步發展在這一新興領域有可能帶來重大的挑戰，美國政府的監督，根據一份新的報告作者麥可Rodemeyer維吉尼亞大學的。合成生物學的承諾重大進展的領域，如生物燃料，特種化學品，農業和生物藥物產品。在新的生活，舊瓶裝：調節第一代產品的合成生物學，Rodemeyer審查優點和缺點使用美國現有的監管框架的生物技術，以支付新產品和新工藝啟用的合成生物學。據Rodemeyer ，初步合成生物學的產品將相對簡單的修改目前的技術和才能解決現有的生物技術法規只有少量的修改。然而，隨著技術的發展，監管機構，如環境保護局和食品與藥物管理局將面臨挑戰，評估潛在的風險和是否有足夠的控制，特別是如果複雜的合成微生物釋放到環境中。今天的風險評估的做法和法律，如有毒物質控制法和聯邦食品，藥品和化妝品法案，根本不是設計來處理二十一世紀的科技進步。
合成生物學的研究
合成生物學的研究“在合成生物學的成熟，美國國會和政策制定者應該考慮如何合理化和現代化的管理新的融合技術，而不是試圖鞋拔子每一個新的領域的技術發展到原有法律書面的一組不同的問題和潛在的風險， ” Rodemeyer爭辯。
“這將是容易貶謫討論監督次要。但是拖延承擔風險。富有成效的對話可能會變得更加困難作為合成生物學的發展和利益相關者成為他們的意見分歧有關利益和風險。在現行的監管架構是為生物技術自然起點合成生物學監督。但最好的框架是拼湊而成棉被，幾十年舊準則和法律，可能會阻礙創新，削弱了公眾的信任，承諾和妥協的好處synbio說， “大衛Rejeski ，主任展望與治理項目，伍德羅威爾遜國際學者中心。“決策者，工業，和其他關鍵利益相關方應立即開始討論的基本問題，不論是現有的法規將與先進的合成生物學，如果沒有，什麼樣的變化，可能需要確保全全的開發和套用科學。 ” 拉特瑙研究所的一個單位，荷蘭皇家藝術和科學院，描述synbio作為融合的分子生物學，信息技術和納米技術，從而導致系統設計生物系統（biosystem）。
美國被認為是世界領先的這一新興科學領域。盧克斯研究，然而，政府的資金索賠更協調在歐洲，由歐洲聯盟的第六框架計畫（第六框架） ，它提供數百萬歐元的資金synbio研究。公司和風險資本家的投資數億美元的資金進入初創喜歡Amyris ，LS9和Gevo 。有人估計，到2015年，有五分之一的化學工業（價值一萬八點零零零億美元）可以依賴合成生物學。合成生物學藉由設計組裝生物元件與系統，來測試基因體（genosome）運作的規則，或使生物體執行新的功能，在生醫製藥、能源環保等層面有極大的套用潛力。微軟公布了資訊產業10 年後的預測短片，讓人們對未來有無限的想像。然而，你能想像10 年或20 年後的生物學與生物科技又會是什麼面貌嗎，合成生物學（synthetic biology），目前正描繪未來的一切無限可能。
合成生物學
合成生物學早在1974年，波蘭遺傳學家斯吉巴爾斯基（Waclaw Szybalski），就已經預言了生物學可能的未來：一直以來我們都在做分子生物學描述性的那一面，但當我們進入合成生物學的階段，真正的挑戰才要開始。我們會設計新的調控元素，並將新的分子加入已存在的基因組（genome）內，甚至建構一個全新的基因組。這將是一個擁有無限潛力的領域，幾乎沒有任何事能限制我們去做一個更好的控制迴路。最終，將會有合成的有機生命體出現。合成生物學可能源自於發現能“剪接”DNA的酵素之時。
《科學美國人》（Scientific American）雜誌編輯比艾羅（David Biello）曾經用過一個簡單的比喻，來說明什麼是合成生物學：如果將生命比作電腦，那么，由許多核酸組成的程式碼——基因體，就是生命的作業系統（operating system）。合成生物學想做的就是，透過創造或改寫基因組，讓生命表現出預期的行為，執行預定的工作。然而，有時候我們會把生命的程式寫“壞”了，就像你把電腦的作業系統弄壞了一樣；電腦會因此開不了機，而生命機器也會因此不正常或是死亡。藉由嘗試錯誤（trial and error）的過程，累積成功與失敗的經驗，人們就會漸漸了解生命程式的規則與語法，進而掌握撰寫生命藍圖的法則。
為了控制生命機器的行為表現，我們需要將控制邏輯寫到生命的作業系統——基因體之中。控制邏輯是工程學（engineering）的專業領域，因此合成生物學必須結合工程學與生物學等學門，為一跨領域的研究學門。能與合成生物學結合的領域包括：分子生物學、基因組工程、資訊科學、統計學、系統生物學、電機電子工程等。
分子生物學與基因組工程是合成生物學的根基，因為必須透過剪接DNA，才能寫出所需要的作業系統；資訊科學、統計學與系統生物學，專精於生物資料的收集、分析與模擬；電機電子工程則是負責控制邏輯迴路的設計。合成生物學的目標是透過創造或修改基因組的過程，去了解生命運作的法則，並導入抽象化（abstraction）、標準化（standardization）等工程概念，以進行系統化設計與開發相關套用。
套用前景
合成生物學將催生下一次生物技術革命。目前，科學家們已經不局限於非常辛苦地進行基因剪接，而是開始構建遺傳密碼，以期利用合成的遺傳因子構建新的生物體。合成生物學在未來幾年有望取得迅速進展。據估計，合成生物學在很多領域將具有極好的套用前景，這些領域包括更有效的疫苗的生產、新藥和改進的藥物、以生物學為基礎的製造、利用可再生能源生產可持續能源、環境污染的生物治理、可以檢測有毒化學物質的生物感測器等。
儘管合成生物學的商業套用多數還要幾年以後才能實現，但現在研究人員已經在利用合成生物體來研製下一代清潔的可再生生物燃料以及某些稀缺的藥物。第一代合成微生物是合成生物學的簡單套用，它們可能與目前利用DNA重組的微生物類似，其風險評估或許不成問題，因此，對立法者的挑戰較少。但隨著合成生物學技術不斷走向成熟，又可能研製出複雜的有機體，其基因組可能由各種基因序列（包括實驗室設計和研製的人工基因序列）重組而成。儘管其風險和風險評估問題與經過基因修飾的生物體引發的問題類似，但對於這類複雜的合成微生物來說，找到上述問題的答案要困難得多。
在轉基因生物技術方面，立法者對轉基因生物體進行風險評估時，一般是通過將轉基因生物體與為人們所熟知的同類的非轉基因生物進行比較分析，從而認識增加的遺傳物質的功能。立法者通過將自然存在的物種與轉基因物種進行比較，來確保新的有機體像其傳統的同類物質“一樣安全”。
但是，對於通過合成生物學製成的複雜的有機體而言，如果它是由各種來源的遺傳序列組合而成或者含有人工DNA，就很難確定其“遺傳譜系”。另外，重組後的遺傳序列是否保留其原有的功能，或者新組分之間是否會產生協同反應從而導致不同的功能或行為也是個問題。隨著對有關遺傳成分的認識的增加，科學家們也許可以預測新的遺傳改造所具有的功能，但是，由來自合成和自然物質的遺傳成分合成的有機體可能會表現出原來沒有過的“新行為”。先進的合成微生物的複雜性給根據遺傳序列和結構進行功能預測增加了新的不確定性。現有的風險評估方法無法用來預測複雜的適應系統。此外，儘管許多科學家認為轉基因生物體在自然環境中可能無法生存或繁殖，但合成有機體可以發生變異和進化，這引起了人們的擔憂，擔心它們如果釋放到環境中，其遺傳物質可能擴散到其它有機體，或者與其它有機體交換遺傳物質。這種風險同樣與轉基因生物引發的風險類似，只是要預先評估將來開發的複雜的合成生物體的風險更為困難。
合成生物學無疑會推動生物燃料、特種化學品、農業和藥物等方面的進步。但這個新興領域的進一步發展對政府的監管提出了嚴峻挑戰。科學家們已經開始關注合成生物學研究的風險問題。最受關注的莫過於生物安全問題。合成生物學的早期套用引發的安全性問題應予以重視。像其它新技術一樣，合成生物學對決策者提出了挑戰。政府在制定政策時必須做出權衡，一方面是如何收穫新產品的利益，另一方面是如何預防對環境和公共健康的潛在危害。目前，人們普遍認為，針對遺傳工程制定的政策和法規是制定面向合成生物學的政策法規時可以效仿的。在這項新技術成熟之前，決策者應考慮如何對這項新興的融合技術進行約束。由於合成生物學的不確定性，立法者面臨的挑戰是如何制定決策，使對合成生物體的管制既不能過松，也不能過嚴。因此，亟需在產品開發的同時開展風險研究。毋庸置疑，一般性研究是很有用的，但很多情況下，必須針對具體的生物體、產品和套用進行風險研究。
發展的重要性
“合成生物學是21世紀初新興的生物學研究領域，是在闡明並模擬生物合成的基本規律之上，達到人工設計並構建新的、具有特定生理功能的生物系統，從而建立藥物、功能材料或能源替代品等的生物製造途徑，我國必須重視和加強這一領域的研究與開發。”近日，在以“合成生物學基礎前沿問題”為主題的第144期東方科技論壇上，來自全國各地60多位兩院院士和專家學者發出呼籲。
中國大會執行主席鄧子新院士認為：“在合成生物學在全世界蓬勃發展的歷史性機遇面前，探討在我國開展合成生物學的研究對象與最佳切入點，發展和建立合成生物學新理論、新方法及相應的技術支撐體系，這對提升我國現代化生物技術水平、搶占合成生物學研究制高點有極大的意義。”與會專家結合國際合成生物學發展動態及我國相關領域的研究基礎，探討我國開展合成生物學的可行性、現階段的主要目標和任務，就合成生物學中核心元件（如基因線路、酶、代謝途徑等）的標準化以及合理組裝方式，建立具有可預測性和調控性的代謝途徑，構建具有特定功能的新生物體等進行了深入研討。
自2000年《自然》（Nature）雜誌報導了人工合成基因線路研究成果以來，合成生物學研究在全世界範圍引起了廣泛的關注與重視，被公認為在醫學、製藥、化工、能源、材料、農業等領域都有廣闊的套用前景。國際上的合成生物學研究發展飛速，在短短几年內就已經設計了多種基因控制模組，包括開關、脈衝發生器、振盪器等，可以有效調節基因表達、蛋白質功能、細胞代謝或細胞間相互作用。2003年在美國麻省理工學院成立了標準生物部件登記處，目前已經收集了大約3200個BioBrick標準化生物學部件，供全世界科學家索取，以便在現有部件的基礎上組裝具有更複雜功能的生物系統。
中國大會執行主席楊勝利院士在報告中指出，2006年以來，合成生物學發展又進入了新階段，研究主流從單一生物部件的設計，快速發展到對多種基本部件和模組進行整合。通過設計多部件之間的協調運作建立複雜的系統，並對代謝網路流量進行精細調控，從而構建人工細胞行為來實現藥物、功能材料與能源替代品的大規模生產。
與國際上合成生物學的飛速發展相比，中國在此領域的研究還處於起步階段。在國際上有影響的相關重大成果仍不多見。但是，我國在合成生物學所需的相關支撐技術研究方面並不落後於國際主流水平，如大規模測序、代謝工程技術、微生物學、酶學、生物信息學等方面均有良好的基礎。如何對現有研究力量進行整合，充分發揮在相關領域已有的良好研究基礎，從醫藥、能源和環境等產業重大產品入手，抓住合成生物學的核心科學問題，創建可控合成、功能導向的新代謝網路和新生物體，引領中國合成生物學的原創研究和自主創新，是目前亟待解決的問題。”
中國大會執行主席趙國屏院士在以《合成生物學——從科學內涵到工程實踐》為題的報告中提出，合成生物學是繼系統生物學之後，生物學研究思想在從“分析”趨於“綜合”、從“局部”走向“整體”的認識基礎上，上升至複雜生命體系“合成、構建”的更高層次；也是繼以“原位改造與最佳化”為目的的基因工程技術和以“數據獲取與分析”為基礎的基因組技術之後，生物技術上升至以工程化“模型設計與模組製造”為導向的更高台階。
利用合成生物學實現‘人造生命’，是通過學科交叉，進一步發展系統生物學的一次科學思維革命，將為生物學基礎研究提供嶄新的思想武器。利用合成生物學方法和理論，對生命過程或生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成，創造解決生物醫藥、環境能源、生物材料等問題的微生物、細胞和蛋白（酶）等新“生命”，可能帶來新一輪技術革命的浪潮，對於解決與國計民生相關的重大生物技術問題有著長遠的戰略意義和現實的策略意義。“它有助於人類應對社會發展中面臨的嚴峻挑戰，從而從根本上改變經濟發展模式，在帶來巨大社會財富的同時，促進社會的穩定、和諧發展。
中國科學院微生物所研究員馬延和、清華大學教授林章凜、南開大學教授王磊、山東大學教授祁慶生和復旦大學/西藏大學教授鐘揚等專家建議，針對我國在能源、環境、健康等方面的需求與挑戰，要聚焦若干重要的生物學體系，實施面向生物醫藥、生物能源和生物基產品等重要生物產品的合成生物學理論與技術的基礎研究，設計併合成相關的細胞工廠和分子機器。“在具體實施中，一方面要建立合成生物學工程技術平台和研究實驗體系，實現關鍵工程科學問題的重大突破，另一方面要揭示細胞工廠和分子機器的運行機理和構造原理，實現最佳化設計，提高元件、網路的合成能力和調控能力，儘早拿出實在的成果來。”
發展現狀
最新突破
2010年，在美國文特研究所，由克雷格·文特(Craig Venter) 帶領的研究小組成功創造了一個新的細菌物種——“Synthia”。他們將Mycoplasma capricolum(細菌A)的細胞核消除；將M. mycoides(細菌B)的DNA序列解碼並拷貝到電腦中。然後通過人工合成的方法（形象地說，就是用基因印表機把這個DNA序列列印出來），將細菌B的DNA重新製作出來並添加到細菌A的細胞中並激活它。克雷格還在這條新的DNA中加入了“水印”（就像他們的電子信箱地址），以便於日後的辨認與區分。“水印”的作用是讓重新獲得DNA的細胞A有製造藍色色素的能力，由於原始的細胞A不具有產生色素的能力（所以是白色的），新合成的細胞A會很容易被辨認出來。
於是，在花費了40,000,000美元和15年的等待後，2010年5月20日，吉布森（Gibson）和他的同事們在文特研究所宣布，世界上第一個由純人工合成創造的細菌物種誕生了。這一“驗證理論”的實驗結果為眾多正在探討和進行類似項目研究的科學家們打了一劑定心針，因為克雷格證明了人工創造物種的可能性與實踐性。
與傳統生物學通過解剖生命體以研究其內在構造的辦法不同的是，合成生物學的研究方向完全是相反的：它是從最基本的要素開始一步步建立零部件。重塑生命，這正是合成生物學這一新興科學的核心思想。該學科致力於從零開始建立微生物基因組，從而分解、改變並擴展自然界在35億年前建立的基因密碼。此外，還可以通過人工方式迫使某一細菌合成胺基酸。合成生物學是基因工程中一個剛剛出現的分支學科，它吸引了大批的生物學家和信息工程師致力於此項研究。
人類正在設計並構建一些可以按照預定方式存在的生命體系。在有些情況下，它們是依靠人工開發的基因密碼運行的，因此它們具備了某些自然機體不具備的能力，美國麻薩諸塞州技術研究所合成生物學小組負責人德魯·恩迪解釋說。與基因工程把一個物種的基因延續、改變並轉移至另一物種的作法不同，合成生物學的目的在於建立人工生物體系，讓它們像電路一樣運行。與傳統生物學通過解剖生命體以研究其內在構造的辦法不同的是，合成生物學的研究方向完全是相反的，它是從最基本的要素開始一步步建立零部件。“所謂合成，就是由我們建立各個活的部件，是逆自然世界的一個過程”。研究合成生物學的科學家們預言，合成生物學的成功將意味著科學的極大進步。美國加利福尼亞大學蛋白質研究工程師溫德爾·利姆認為，合成生物學通過修復細胞功能、消除腫瘤、刺激細胞生長和使某些決定性細胞再生，實現治療各種疾病的目的。
一些專家提出應該製造一個配備有生物晶片的細胞機器人，讓它在我們的動脈中遊蕩，檢測並消除導致血栓的動脈粥樣硬化。還有一些研究人員認為，運用合成生物學還可以製成各種各樣的細菌，用來消除水污染、清除垃圾、處理核廢料等。恩迪還提出，可製造一種生物機器用來探測化學和生物武器，發出爆炸物警告，甚至可以從太陽中獲取能量，用來製造清潔燃料。但是也有一些謹慎的研究人員認為，合成生物學存在某些潛在危險，它會顛覆納米技術和傳統基因工程學的概念。如果合成生物學提出的創建新生命體的構想得以實現，科學家們就必須有效防止這一技術的濫用，防止生物倫理衝突以及一些現在還無法預知的災難。
2002年，紐約大學的病毒學家埃卡德·維默爾宣布他和他的研究小組從生物技術公司購買了DNA短小片斷，並在DNA合成公司的協助下將它們連線起來，製造出了人工合成的脊髓灰質炎病毒。這項研究的成功讓維默爾完成了一項前人從未完成的工作。但他同時向人們發出警告，生物恐怖主義分子完全有能力製造出致命病毒，例如伊波拉病毒、天花病毒以及一切目前人們擁有的藥物均無法消滅的病毒。
毫無疑問，在科學家的理解中，細胞是自然界進化魔杖的完美設計，而合成生物學正是這一概念的邏輯推論。儘管科學家們在合成生物學方面做的各項研究和實驗還處於初級階段，但這項前沿科學一定能夠給人們帶來驚喜，無論這樣的驚喜是好是壞。
