在此基礎上，2014?年，美國科學院提出“會聚”研究為生命科學第三次革命，以使能技術的工程化平臺建設與生物醫學大數據的開源應用相結合帶來的“工程生物學”（Engineering Biology），正在全面推動生物技術、生物產業和生物醫藥“民主化”發展的新階段，也可以說，是在實現人類“能力提升”的宏偉目標上邁出了堅實的一步。

本期《中國科學院院刊》專刊“合成生物學：回顧與展望”所刊載的各篇綜述，簡要介紹了近?20?年來合成生物學在元件工程、線路工程、代謝工程、基因組與細胞工程等方面的進展，特別是相關使能技術的重要突破；進而專門描述了承載工程化研究與技術服務的實驗室與中心（設施）的建設情況。最后，闡述了合成生物學在醫藥、化工、農業、環保等領域應用的重要進展以及保障合成生物學科技與產業發展的相關政策與管理。

元件工程

合成生物學按照工程學的理念，將生命體系中發揮功能的最簡單、最基本的單元，統稱為生物元件（biological part），鑒于其生物大分子本質，氨基酸序列（蛋白質的一級結構）或者核苷酸序列（核酸的一級結構）以及在序列上相關的修飾應該是生物元件最基本的構成。當今“合成生物學”概念的提出，就是基于生物“元件”構建人工邏輯“線路”的創新工作。在此基礎上，形成了合成生物學中“生物元件”的定義——“遺傳系統中最簡單、最基本的生物積塊（BioBrick），是具有特定功能的氨基酸或者核苷酸序列，可以在更大規模的設計中與其他元件進一步組合成具有特定生物學功能的生物學裝置（Device）”。隨著合成生物學研究領域的拓展，生物元件的內涵已經不再能局限于原先的“遺傳系統”，也不僅僅服務于利用“模式系統”以構建線路工程。“生物元件”中非核酸部分（特別是非?DNA?部分，大部分就是蛋白質多肽）在一般的生物學體系中，特別是在細胞體系中，基本都是由“基因”即?DNA?序列所編碼的。因此，“生物元件”中核酸序列的很大部分，就是編碼蛋白質（其中既有發揮調控功能的蛋白因子，又有發揮結構功能的結構蛋白，還有大量具有催化功能的酶）的基因。

目前，生物元件主要來源于自然界，基于生物全基因組或轉錄組測序和信息挖掘的生物元件的篩選與鑒定是其研究主流。通過對基因組中的功能蛋白、轉錄和翻譯特征序列分析，可以得到豐富的啟動子、核糖體結合位點、蛋白質編碼序列以及終止子等生物元件資源。在“調控元件”預測方面，已經有?FPROM、TSSG、SCOPE?等軟件；在“功能元件”預測方面，也有?Pfam?等用于比對蛋白質家族和結構域的數據庫。然而，從?DNA?序列到其編碼元件的功能解讀和利用還存在巨大鴻溝，生物合成功能元件的鑒定往往非常困難且效率低。以紫杉醇在紅豆杉中合成步驟及相關“生物元件”的挖掘為例，從?1997?年揭示紫杉醇生物合成的第一步反應，到現在已經對后續步驟中涉及的?8?個細胞色素?P450?單加氧酶、5?個酰基/芳香基轉移酶以及?1?個氨基酸變位酶進行了解析，但仍有?5?個基因功能有待研究。這種關鍵生物元件的缺失直接導致了紫杉醇的合成生物學制造尚未實現。

為實現對目標生物器件或生物系統的預測、設計、構建與優化，有必要對現有生物元件的結構與功能進行改造。由美國科學家建立的蛋白質的定向進化技術（獲得?2018?年諾貝爾化學獎）目前仍然是生物元件改造的主要策略。構建各種不同強度的啟動子文庫也是實現基因精確調控的有力工具，典型例子是在工程化的產番茄紅素菌株的優化過程中，對釀酒酵母的?TEF1?啟動子改造，建立突變啟動子庫，得到一系列強度不同的突變啟動子，并在此基礎上進一步研究其中?11?個啟動子特性，發現這些突變啟動子活性是野生型的?8%—120%。此外，通過改造大腸桿菌核糖體，可以利用大腸桿菌深入研究核糖體的機制，研究抗生素和核糖體的相互作用；如果進一步擴展細胞的遺傳編碼方式，可以用這些工程改造的核糖體來合成新的多聚物，還可能將細胞轉化成多用途的“細胞工廠”。

當然，更為吸引人及更具有挑戰意義的是設計合成自然界不存在的元件，例如，劍橋大學利用人造遺傳物質合成出世界上第一個人工酶。隨著高性能計算技術、量子力學和分子動力學理論及方法學的發展，計算蛋白質設計技術在核心元件酶催化設計方面發揮出巨大作用，使酶工程迎來發展新階段。例如，利用計算迭代方法從非活性蛋白質支架?HG-1?為起始點計算，獲得的?8?種設計酶均表現出顯著的催化活性，大幅提高了計算設計酶分子的成功率。最近，中國科學研究人員利用密碼子擴展方法，改造一個?28?kD?的熒光蛋白，成功模擬了天然光合作用系統的光能吸收，并將二氧化碳還原形成一氧化碳，為利用人工光合作用途徑、最終實現建立的能源獲取方式跨出了關鍵一步。

合成生物學“自下而上”的正向工程本質決定了建立元件庫的必然性和至關重要性。在應用實踐中，合成生物學的定量預測、精準化設計、標準化合成與精確調控技術能力的提升，依賴于合成生物學工程化平臺和標準元件庫的支撐，以此推動實現利用合成生物學手段規模化高效率地解決生物工程問題，回應社會需求。2012?年建立的?BioBricks??元件庫，第一次從法律層面允許個人、公司及科研院校制作標準化生物元件，并在相關的協議架構下進行免費共享。當然，在這個方向上，還有很長的路要走。

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