一 、概述

合成生物是一门在现代生物学和系统科学以及合成科学基础上发展起来的、融入工程学思想和策略的新兴交叉学科，是采用标准化表征的生物学部件，在理性设计指导下，重组乃至从头合成新的、具有特定功能的人造生命的系统知识和专有理论构架以及相关的使能技术与工程平台。合成生物学它是人工生物路径、有机体或装置的设计和构建，或者对自然生物系统进行重新设计。该技术突破自然进化的限制，以“人工设计与编写基因组”为核心，可针对特定需求从工程学角度设计构建元器件或模块。通过这些元器件对现有自然生物体系进行改造和优化，或者设计合成全新可控运行的人工生物体系。它把“自下而上”的“建造”理念与系统生物学“自上而下”的“分析”理念相结合，利用自然界中已有物质的多样性，构建具有可预测和可控制特性的遗传、代谢或信号网络的合成成分。合成生物学在工程学思想指导下，可以用以解决人类食品缺乏、能源紧缺、环境污染、医疗健康等各方面的问题，是生物学、生物信息学、计算机科学、化学、材料学等多学科交叉融合的学科。

图1:合成生物概述

二、合成生物学发展史“合成生物学”是发展迅速的一门新兴学科。“合成生物学”(synthetic biology)一词最早是出现在法国物理化学家Stephane Leduc在1910 年所著的《生命与自然发生的物理化学理论》一书中。但其含义与今天的“合成生物学”不同。合成生物学的思想最早出现在1978年波兰遗传学家希巴尔斯基的一篇文章中；1980年，B.Hoborn第一次使用“合成生物学”（Synthetic Biology）作为论文题目并发表于学术期刊上，他用＂合成生物学＂描述通过重组基因组技术改造的细菌仍然能够正常存活这一现象。2000 年美国化学学会年会上，Eric Kool和其他发言人重新提出“合成生物学”这一概念，描述在生命系统中发挥功能的非天然有机分子的合成。随后，“合成生物学”一词的含义延伸到“重铸生命”（redesign life）。

三、中国政府合成生物科技政策

1.在科技政策方面，“863”计划与“973”计划战略布局了合成生物科技研发资助计划，启动了国家重点研发计划“合成生物”重点专项，并在北京、上海、天津、深圳等城市布局合成生物重大科技基础设施和国家级创新平台；在产业政策方面，我国把合成生物列入《国家生物技术战略发展纲要》《“十四五”生物经济发展规划》等战略规划，初步建立起了结构合理、功能齐全的产业体系；在治理政策方面，我国出台了《中华人民共和国生物安全法》，为科技伦理和生物安全治理提供了基础性支撑。

2.“合成生物学”国家重点研发计划专项支持（近五年）

（1）2020年度国家重点研发计划“合成生物学”等7个重点专项获批，经费额度为3.8亿元‌。

（2）2021年度国家重点研发计划“合成生物学”等25个重点专项获批，经费额度为3.5亿元‌。

（3）2022年度国家重点研发计划“合成生物学”18个重点专项获批，经费额度为1.86亿元‌。

（4）2023年度国家重点研发计划“合成生物学”经费额度为1800万元‌。

（5）2024年度国家重点研发计划“合成生物学”44个重点专项，安排7.51亿元‌。

四、科研进展及成果（近五年来部分成果）

1.二萜生物合成研究

中国科学院上海药物所郭跃伟研究员团队长期与德、法、意、西学者合作，在二萜生物合成研究取得最新进展。在中国南海无脊椎动物化学、化学生态学及生物活性/成药性研究领域取得一系列研究成果。继与德国波恩大学Dickschat课题组合作在天然产物领域权威综述性期刊Natural Product Reports特邀综述文章(Nat. Prod. Rep. 2020, 37, 1363)，双方又联合在国际化学领域著名期刊Angewandte Chemie International Edition上共同发表以Diterpene Biosynthesis in Catenulispora acidiphila: On the Mechanism of Catenul-14-en-6-ol Synthase为题的文章。

图2：经酶CaCS孵育产物的总离子流图

　图3：在二萜合成酶（CaCS）的作用下，GGPP形成新型二萜分子1–3的环化过程。

2.人参和三七皂苷生物合成研究

中国科学院分子植物科学卓越创新中心合成生物学重点实验室周志华研究员团队，在人参和三七皂苷生物合成研究中接连取得突破。完成了三七皂苷R1与R2合成途径的解析，并通过创建酵母细胞工厂实现了人参皂苷Rg1、三七皂苷R1与R2的从头生物合成，产量均达到1 g/L。此外，通过对稀有人参皂苷CK酵母细胞工厂的糖基供体UDP-Glucose的供给及合成途径关键元件的表达进行了系统优化，使CK产量突破了5.7 g/L（Synthetic and Systems Biotechnology，2021）。相关研究成果以“High-level sustainable production of the characteristic protopanaxatriol-type saponins fromPanaxspecies in engineeredSaccharomyces cerevisiae”为题，于2021年4月15日发表在Metabolic Engineering期刊上。

图4：创建酵母细胞工厂高效合成稀有人参皂苷CK (a) 和三七特征皂苷Rg1，NgR1和NgR2 (b)

3.海洋微生物氧杂蒽酮生物合成机制研究

中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室海洋微生物代谢工程与生物合成张长生研究员团队，在海洋微生物氧杂蒽酮生物合成机制研究中取得新进展。相关成果于2022年9月14日在线发表于Nature Communications（《自然·通讯》）。

图5： 多功能氧化酶FlsO1的生理功能和意外发现的新功能

图:6：FlsO1催化氧杂蒽酮环形成的酶学机制

4.二氧化碳到淀粉的从头合成

中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉的人工合成方面取得重大突破性进展，国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，相关成果于2021年9月24日发表于国际顶尖杂志《科学》。

设计了一条从C1（一碳化合物）到Cn（多碳化合物）的新路径。

图7：合成淀粉

第一、针对植物只能利用空气中低浓度二氧化碳（0.04%）、低能量密度的太阳能（10 w/m2）、生长周期长（3-4个月）、天然淀粉合成途径长（大约60个步骤）、催化效率低（需要关键酶RuBisco）等关键问题，科研人员耦合化学催化与生物催化技术，充分发挥化学催化速度快与生物催化可合成复杂化合物的优势，从头设计和构建了从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径(Artificial Starch Anabolic Pathway, ASAP)，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成。

图8：C1（一碳化合物）到Cn（多碳化合物）的新路径

第二，我们用“搭积木”的思维解决了适配性问题。

为了解决酶的适配问题，基于每个模块终产物的碳原子数量，科研人员采用“模块化”——“搭积木”的思路，将整条途径拆分为四个模块，分别命名为C1（一碳化合物），C3（三碳化合物），C6（六碳化合物）和Cn（多碳化合物）模块。每个模块的原料和产物都是确定的，但是可以有多种反应过程，科研人员要做的，就是找到四个模块最佳的组合方式。

图9：“模块化”——“搭积木”的思路

5.利用定量合成生物学探索细胞命运决定

中科院深圳先进院傅雄飞团队利用定量合成生物学，利用定量合成生物学探索细胞命运决定新机制。2023年3月23日，该研究在Nature Chemical Biology期刊发表了题为： Unbalanced response to growth variations reshapes the cell fate decision landscape 的研究论文。

该研究运用造物致知的研究范式，通过定量实验和数理模型，深入探索细胞生长速率对经典人工合成基因线路——互抑制回路【1】 ——的双稳态性的影响，发现了不同基因的表达量对生长速率呈现不平衡、不同步的响应，进而重塑细胞命运决定景观 （Landscape） 。该研究提出： 生长速率可以在全局上调控基因表达网络中每个基因的表达水平从而改变细胞命运，并不一定依赖特定调控因子。该研究为命运决定调控机制研究提供了新视角，也为通过合成生物方法定量控制细胞命运用于医学和工业用途提供了新思路。

图10:无论初始状态是红色还是绿色，细胞在平台期都会处于红色状态，绿色细胞在进入平台期前会自发向红色状态切换。

图11:在不同培养条件下，细胞的稳态状态与数量将发生变化，当细胞生长速率低于0.5h-1时，细胞只存在红色一个稳定状态。

图12: 实验与模型分析，生长速率依赖的基因表达可以重塑细胞的命运决定景观图。

6.微藻底盘细胞的理性设计和系统改造

中国科学院青岛能源所国家重点研发计划“合成生物学”重点专项，项目首席科学家吕雪峰研究员带领的微生物制造工程中心，在蓝细菌底盘细胞构建与合成生物技术开发方向取得系列研究进展。相关成果在《自然通讯》（Nature Communications）上先后发表三篇论文。

图13：“微藻底盘细胞的理性设计和系统改造”项目研究任务设置

图14：MerR家族转录因子CvkR蛋白结构解析

图15：遗传与环境协同扰动激发超突变状态 蓝细菌可控超突变系统工作模型

7.生物转化甲醇合成蔗糖

中国科学院天津工业生物技术研究所功能糖团队，在前期人工转化二氧化碳合成己糖研究工作基础上（Science Bulletin.2023），设计构建了非天然蔗糖合成途径。

与自然合成途径相比，反应步骤和ATP消耗显著降低；针对途径中的关键酶进行分子改造，催化效率提升70倍；围绕体外生物转化体系中的多酶适配性研究，开发了循环扫描迭代进化方法，蔗糖合成转化率提高至86%，产物浓度达到14 g/L；进一步基于蔗糖合成路线设计了自循环驱动的淀粉合成方法，无需添加引物即可实现生物转化甲醇合成直链淀粉，且具有较高的合成效率。2025-05-相关研究成果发表在Science Bulletin期刊上。

图16：低碳化合物生物转化合成复杂糖分子

8.植物天然产物生物合成与酶学研究领域

北京大学化学与分子工程学院雷晓光课题组与合作者中国医学科学院药物研究所戴均贵课题组以及中国中医科学院黄璐琦课题组，在植物天然产物生物合成与酶学研究领域取得重大突破。2020年5月25日，在NatureChemistry杂志上发表以“FAD-dependent enzyme-catalysedintermolecular [4+2] cycloaddition in natural product biosynthesis”为标题的文章，解析了传统中药桑白皮中的活性天然产物生物合成关键步骤，报道了自然界中存在的首例催化分子间Diels-Alder反应的单功能酶，为多年来存在的一个重要科学争论：“自然界中是否有真正意义的分子间Diels-Alder反应酶”画上了句号。该研究“天然产物生物合成中间体分子探针”的化学生物学研究策略，为解析植物天然产物生物合成途径提供了新的研究思路。

图17：桑树中D-A类型天然产物可能的生物合成途径以及基于生物合成中间体探针的靶点垂钓

图18：基于MaDA晶体结构的分子对接以及点突变实验揭示了MaDA与底物形成相互作用的关键位点

9.利用人工基因线路编程溶瘤腺病毒用于癌症的免疫治疗

清华大学谢震课题组利用人工基因线路编程溶瘤腺病毒用于癌症的免疫治疗，为理性设计控制基因治疗药物的肿瘤靶向性，增强刺激抗肿瘤免疫，提高药物的安全性，提供了新的思路，该成果可编程的溶瘤病毒疫苗系统及其应用的项目产业化取得重大进展。该研究2019年10月在《自然·通讯》（Nature Communications）发表了题为“利用人工基因线路编程溶瘤腺病毒用于癌症的免疫治疗”（Oncolytic adenovirus programmed by synthetic gene circuit for cancer immunotherapy）的研究论文。首款基因治疗产品SynOV1.1获得美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，简称FDA）临床试验许可，用于治疗包括中晚期肝癌在内的甲胎蛋白（AFP）阳性实体瘤。

图19：人工分子机器编程的靶向肿瘤基因治疗药物示意图

10.远红光调控的分割型split-Cas9基因编辑系统

华东师范大学叶海峰研究员团队研究远红光调控的分割型split-Cas9基因编辑系统最新成果 ，CRISPR-Cas9基因编辑技术作为新兴的第三代基因编辑技术，因其诸多优点而倍受关注，为研究细胞复杂的生物学功能提供了极其便利的技术手段，也为解决人类基因疾病带来了希望。2020年7月11日（科学进展）在线发表。然而，由于Cas9表达的不可控性导致的脱靶效应以及无法实现时空特异性的精准编辑等缺点仍存在，给临床治疗带来了很多不确定性。因此，亟须开发一种可时空特异性精准控制的CRISPR-Cas9系统。

2017年，该团队在《科学—转化医学》上发表了封面文章，报道了一种远红光（730 nm）调控的转基因表达控制系统，并实现了智能手机超远程控制光敏细胞释放胰岛素治疗糖尿病的目标，颠覆了传统口服和注射降糖药物控制血糖的方法。

2018年，该团队在《美国国家科学院院刊》上发表研究论文，他们将远红光调控转基因表达控制系统与CRISPR-dCas9技术相结合，开发了远红光调控的CRISPR-dCas9内源基因转录激活装置（FACE），可实现表观遗传操控以及诱导干细胞分化为功能性神经细胞。

图20：FAST系统工作原理图

五、合成生物发展前景

1.基础研究持续加强

随着基因测序、基因合成、基因编辑等底层技术的日趋成熟，以及AI、计算机、工程学等技术工具及跨学科的使用融合，合成生物学基础研究成果将持续爆发。越来越多的优秀研发成果有望相继涌现，为合成生物产业发展奠定基础。

2.全链发展模式兴起

部分合成生物企业给出“全链路”的解决方案，覆盖“基础研究、产业转化、市场转化”的全链路发展模式。这种模式可能更适合合成生物产业的发展要求及特点，有望成为新的产业发展趋势。

3.产业集聚与政策支持

随着各区域政策的持续落地和有效支持，加上中国在生物制造、微生物发酵、供应链等方面的产业优势，全球性的合成生物产业集群有望在中国崛起。

4.应用场景不断拓展

（1）合成生物学在生物医药、化工能源、农业食品等领域的应用场景不断拓展。

（2）在化工能源领域，则涉及精细化工、生物基材料、工业酶以及生物能源等。

（3）在农业食品领域，则涵盖食品饮料、食品添加剂、饲料添加剂等。

合成生物学作为一门以工程学思想为指导、多学科结合的新兴领域，随着技术的不断进步和成本的进一步降低，正以其独特的技术优势和广泛的应用前景，引领着新一轮的生物技术革命。

参考文献

1.中国政府官网

2. 中国科技部官网

3.国家自然科学基金委官网

4.中国科学院科研进展官网

5.中国工业信息化产业部官网

6.中国科学院微生物研究所官网

7.中国生物工程学会官网

8.中国数子科技馆官网

9.中国农业科学院官网

10.北京大学官网

11.清华大学官网

12.中国农业科学院微生物研究所官网

13..华大基因官网

14.耿红军王昶编审杨柳春我国合成生物产业创新发展路径与政策保障研究《中国科学院院刊》供稿）2025-02-14

15.郭跃伟二萜生物合成研究综述文章(Nat. Prod. Rep. 2020, 37, 1363)国际化学领域著名期刊Angewandte Chemie International Edition上共同发表

16.周志华人参和三七皂苷生物合成研究相关研究成果以“High-level sustainable production of the characteristic protopanaxatriol-type saponins fromPanaxspecies in engineeredSaccharomyces cerevisiae”为题，于2021年4月15日发表在Metabolic Engineering期刊上。

17.张长生海洋微生物氧杂蒽酮生物合成机制研究 在线发表于Nature Communications（《自然·通讯》）2022-9-14

18.中国科学院天津工业生物技术研究所二氧化碳到淀粉的从头合成国际顶尖杂志《科学》2021-9-24

19.傅雄飞利用定量合成生物学探索细胞命运决定在Nature Chemical Biology期刊发表2023-3-23日

20.吕雪峰 微藻底盘细胞的理性设计和系统改造《自然通讯》（Nature Communications）2023-06-10

21.中国科学院天津工业生物技术研究所功能糖团队生物转化甲醇合成蔗糖Science Bulletin期刊2025-05

22.雷晓光植物天然产物生物合成与酶学研究领域NatureChemistry杂志2020-5-25

23.谢震利用人工基因线路编程溶瘤腺病毒用于癌症的免疫治疗《自然·通讯》（Nature Communications）2019-10

24.叶海峰 远红光调控的分割型split-Cas9基因编辑系统（科学进展）在线发表 2020-7-11