隨著合成生物學研究的迅猛發展，在基礎研究方麵，已經可在實驗室構建具有可預測特性的遺傳線路和模塊……在應用方麵，可以構建一些新的高效的微生物菌株等。
合成生物學一詞最早出現於1911年。隨著國際人類基因組計劃的完成，21世紀初合成生物學一詞開始在學術刊物及互聯網上逐漸大量出現。短短幾年，合成生物學正以空前的方式，在基礎及應用研究、技術方法及產業化等方麵取得了很大的進展。
合成生物學新進展
（一）DNA合成
DNA合成技術是支撐合成生物學發展的重要技術之一，其在基因及調控元件的合成、基因線路和生物合成途徑的重新設計組裝，以及基因組的人工合成等方麵都具有重要的應用。近幾年來，DNA合成技術發展很快，成本越來越低。2010年12月，《自然·生物技術》在同一期發表了哈佛大學遺傳學教授喬治·丘奇（George Church）及其夥伴的兩篇論文，他們的技術可使合成一個核苷酸的成本小於1美分。《自然·生物技術》為這兩篇論文配發了評論，並在封麵專門作了介紹。
（二）基因線路
基因線路是合成生物學的重要組成部分，這些研究不僅可更深入地了解生命的構成方式和調控原理，還可設計具有所需功能的基因元件，進而構建合成生物係統。另外，基因線路的研究也是進行生物分子計算的基礎。迄今為止，合成生物學家已經構建了具有各種功能的基因線路，主要包括反饋器和開關、邏輯門（logic gate）、基因振蕩器、計數器以及通用性的RNA元件等。
（三）合成基因組（“合成細胞”）
多年來，美國文特爾研究所（J. Craig Venter Institute，簡稱JCVI）一直在進行合成基因組的工作。2010年，他們報告了從數字化的基因組信息開始，設計、合成和組裝了一個具有1.08兆個堿基對的蕈狀支原體基因組，將其移植進一個山羊支原體受體細胞，從而創造了一個僅由合成染色體控製的新的蕈狀支原體細胞。新細胞內僅有的DNA具有預期設計合成的DNA序列的表型性質，有連續自我複製的能力。文特爾等將新細胞命名為JCVI-syn1.0。
（四）基因組工程
基因組工程是指為了特定目的而對全基因組進行廣泛的遺傳改造，其中包括如下步驟：遺傳係統設計，遺傳材料的合成，啟動所設計的遺傳操作係統以使整個基因組運行，調試檢查和排除障礙。2009年丘奇研究組開發了一種大尺度修改和進化細胞基因組的多元自動化基因組工程（MAGE）技術，該技術將大量人工合成的具有各種突變（包括堿基錯配、插入和缺失）的單鏈DNA庫導入宿主細胞進行重組，可以快速高效地得到各種突變株。雖然該技術目前隻能應用於大腸杆菌，但它使得快速高效地在全基因尺度上對菌株的基因組序列進行設計和修飾成為可能，並極大地加快細胞優化的進程。2009年8月，《科學》雜誌發表評述認為，丘奇開發的MAGE技術和文特爾開發的從酵母到其他物種的基因組高效轉移技術具有互補作用，都是合成生物學的重要進展，從中我們可以對合成生物學的含義有更好的理解。2011年7月，丘奇研究組在《科學》雜誌上發表了基因組工程的新論文－《分層次結合組裝基因組工程（CAGE）技術》，通過體內染色體的精準操控，能對全基因組密碼子進行替換。此技術提供了一種更有效的操控活體生物的方法，其有可能最終應用於製造更安全、更健全的工業微生物，用以生產各種新藥和化學製品。
合成生物學展望
隨著合成生物學研究的迅猛發展，在基礎研究方麵，已經可在實驗室構建具有可預測特性的遺傳線路和模塊，可以創造能夠協同存在的新的細胞組合係統，可以構建像JCVI-syn1.0一樣的“合成細胞”。在應用方麵，可以構建一些新的高效的微生物菌株等。這些都表明合成生物學作為一個新的多學科交叉領域，在構建生命、理解生命的基礎科學研究中，在發展能源、醫藥、農業和其他產業的應用中，都具有巨大的潛力。
基因工程及合成生物學會更加協調發展。基因工程重點聚焦於以分子生物學指導來構建DNA（例如，克隆和PCR）和自動化測序（讀DNA）。合成生物學基於過去30多年所發展的工具，結合自動化DNA合成，運用標準的構建、複雜問題的抽提等工程原理，以簡化設計過程（寫DNA）。2010年10月，《生物分析》雜誌指出，通過合成方法生產生物材料可分成8個階段，並認為從所有天然的DNA到所有合成的DNA之間是“無縫隙”過渡，這從一定意義上可以清楚看出基因工程與合成生物學之間的關係。人們會根據不同目標、不同階段采用不同的技術手段。
2010年12月，美國生物倫理研究委員會發表了《新方向：合成生物學和新出現技術的倫理》的研究報告。報告指出：在看到合成生物學提供的美好前景的同時，也要特別認真應對潛在的風險，要做負責任的管理者，周到地考慮對人類、其他物種、自然界及環境的影響。報告的發表得到了美國學術界、產業界、公眾及媒體的廣泛認可。JCVI發表聲明，歡迎倫理委員會報告的發布，認為報告內容非常全麵，建議非常聰明、監管非常必要。《自然》、《科學》、《柳葉刀》等雜誌以及《紐約時報》等媒體、“生物工業組織”等產業協會都作出了積極的反應。這些都為合成生物學的發展提供了極好的氛圍和機會。預期本著“大力發展、加強監管”的原則，合成生物學一定會得到更快、更好、更健康的發展。
今後幾年，合成生物學將在以下幾個方麵取得重要進展。一是更多的合成生物學零件及模塊會得到表征及標準化；更複雜、更精細的合成基因線路會在原核生物及真核生物中得以應用。
二是在JCVI-syn1.0的基礎上，“合成細胞”會進一步進行。在原有基因組基礎上，通過增加或減少基因組的組成，了解新“合成細胞”的功能，從而獲得組成生命的基本知識，為將來真正“自下而上”從頭設計生命奠定基礎。
三是針對人類麵臨的資源、環境、健康等問題，采用自上而下法對自然界現有生物進行重新設計、改造及優化。將來可以根據“量體裁衣”的原則， 來構建微生物，使其利用特定的原料來生產特定的化學品。這包括從零件表征開始，通過CAD軟件對細胞代謝途徑、酶、遺傳控製線路進行設計，在FAB工廠（生物加工製造，Fabrication of biological systems）對這些元件的DNA片段進行編碼合成，然後整合到“底盤”生物中得到新的生物催化劑。預計這些研究會在全球得到突飛猛進的發展，並加快合成生物學產業化的步伐。
（來源：科學時報）
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