中國網/中國發展門戶網訊 2000?年，以撥動開關（toggle switch）與合成振蕩器（synthetic oscillator）為標志的基因設計研究使合成生物學走進了人們視野。近年來，隨著合成生物學的蓬勃發展，人們很快認識到，生物系統可以在定量模型指導下，用“模塊化、標準化”的組成單元來設計構建人工復雜系統。其中，生物元件作為合成生物學三大基本要素之一，對其進行深入挖掘和改造已成為合成生物學領域的重要研究方向。為了方便利用模塊化、標準化的“部件”拼裝“機器”，2003?年，美國麻省理工學院相關合成生物學實驗室成立了標準生物元件登記庫（Registry of Standard Biological Parts），收集滿足標準化條件的生物元件。截至?2018?年已有超過?20?000?個生物元件被登記，其中包括啟動子、轉錄單元、質粒骨架、蛋白質編碼區等?DNA?序列，以及核糖體綁定位點、終止子等?RNA?序列和蛋白質結構域。

天然生物元件來源于自然進化，在模塊化、組裝、集成等方面，難以符合特定工程需求。如果將細胞看成合成工廠，由?DNA?編碼的蛋白質和?RNA?等轉運、調控、催化基本元件在生命體系中體現出一定的交互性和模塊性。如何讓不同單元之間、單元與途徑和網絡之間可控、可組裝，是工程化設計創建生物系統首要面臨的問題。目前，大量已知功能的生物元件并未被標準化，許多元件體現出不兼容性，加之整合過程中的復雜性和整合后的可變性等因素，導致元件之間不能協調一致地工作，效率大幅降低，或無法實現設計功能。因此，設計具有良好協調行為、協同執行功能的生物系統是合成生物學的一項重大挑戰，也是解決“人造生命”的重要突破口。本文簡要介紹了近年來非催化元件的研究現狀，重點介紹催化元件設計領域從頭預測新酶結構的分子優化設計、人工金屬催化酶設計、底物選擇性重設計以及酶分子熱穩定性設計?4?個方面的前沿研究進展，并綜述了酶分子設計與工業生產的跨層次結合與技術互融，以期為合成可控、功能特定的人工生物體系提供重要線索，同時有助于推動合成生物學關鍵基礎技術體系與工業生物過程的互作發展。