最近，美國科學家Craig Venter在學術雜志《細胞》（Cell）發表最新研究成果：通過放回7個基因，修正了他們5年前合成的“最小細胞”syn3.0，從而使它們能夠像天然細胞一樣正常生長和分裂。這是合成生物學領域“造物致知”方向的一個新進展。

從2010年開始，Venter團隊先后通過全化學合成手段組裝了生命體syn1.0與syn3.0。這些工作在設計能力和建造能力方面都對合成生物學的發展作出了重要貢獻，例證了“設計-合成-分析-再設計”這一工程思維范式在合成生物學的應用。

近年來，中國學者在合成生物學領域也取得了系列重要成果。例如，完成4條釀酒酵母染色體的從頭設計與化學合成；將釀酒酵母的16條天然染色體人工創建為具有完整功能的單條染色體，為利用極簡生命形式理解染色體進化、研究生命本質開辟了新方向；揭示了生物系統“有序性”的形成原理，為合成生物學家從頭設計復雜生命體系提供重要理論指導；首次構建自調節可重構的DNA電路，為發展新型生物計算和基因編輯技術提供了新思路; 利用合成生物學方法工程化改造人胰島β細胞，并利用定制的生物微電子設備實現對胰島素合成和釋放的精準調控；首次成功搭建和表征了基于枯草芽孢桿菌TasA淀粉樣蛋白的活體生物被膜材料等等。

不僅在科學研究上，合成生物學相關產品也已經開始陸續走進人們的生活。前段時間關注度較高的“人造肉漢堡”、“動物基人造肉”以及降糖新藥西格列汀等產品，已于去年或將于今年進入市場。這些產品本身或者其中重要成分是通過工程改造的細胞生產獲得的。未來十年，人工合成的活體藥物有望為癌癥、遺傳病、傳染病等未被滿足的臨床需求（unmet clinical need）提供有效治療手段。

合成生物學（或者說工程生物學）旨在采用工程化的設計理念，改造或創造人工生命系統，是一門交叉性特別強的學科。當前合成生物學的科學研究可以用 “造物致知”、“造物致用”這兩個詞來概括。

“造物致知”，包括DNA復制與分裂之間的協調機制、最簡基因組以及細胞生長規律等方向的研究。例如，我們課題組構建了全新的細菌細胞“空間遷移唯象模型”，可以為從頭設計復雜生命體系提供理論指導。“造物致用”，包括功能性新生命體合成、代謝產物合成途徑優化以及活體藥物開發與應用等方向的研究。例如羅小舟研究員和Jay Keasling院士通過構建人工酵母菌，引入了醫用大麻素的相關基因，通過工業化發酵，在幾周之內就可以生產大量醫用大麻素，為其大規模藥用奠定了基礎。

合成生物學之所以能夠被如此重視，與其說技術優勢，不如說是研究范式上的改變——傳統生物學主要采用“自上而下”格物致知的研究思路，而合成生物學“自下而上”造物致知的研究思路。這將可能為相關重要科學問題的解決帶來新的機遇。

如今，作為生命科學發展的前沿熱點之一，合成生物學領域面臨著激烈的國際競爭，已成為世界強國科技戰略的必爭之地。近兩年，我國對合成生物學方向投入持續加大，科研領域蓬勃發展，但較美國仍有一定差距。

合成生物學面臨的最主要挑戰是缺乏理性（可預測性）設計的指導。目前解決問題的通用思路有兩個，對生物學要素或過程規律有清楚認識的“白箱”模型，以及著眼于系統表型及其關聯的“黑箱”模型。同時，一個研究熱點是“黑箱的白箱化”。整合這兩個思路，我們在國際上差異化的提出“定量合成生物學”方向來應對這一挑戰。定量生物學應用數理邏輯思維研究生物系統基本原理，旨在用簡單定量關系描述復雜生物過程反過來，能夠幫助人們理性設計合成生命體；反過來，合成生物學自下而上的工程化思維，使人們能夠通過構建合成生物系統，驗證定量生物學對生命現象的定量預測。定量生物學和合成生物學的交叉互補將大大促進學科的發展。

此外，生命科學研究的一個核心科學問題是低層次的元件如何相互作用實現高層次的“功能涌現”。定量合成生物學的研究對象是從簡單到復雜，從“原料－元件－邏輯－器件－系統－體系”，自下而上在不同尺度上重新構建人工生物系統，這種科學范式能夠為回答生命科學這一基礎科學問題提供啟示。進而，甚至有希望探討建立生命系統跨尺度統一理論的問題。

總體來說，發展定量合成生物學，將有望推動合成生物學從定性、描述性、局部性的研究，向定量、理論化和系統化的變革，不僅對揭示生命本質和探索生命過程基本規律具有重要意義，還可為解決人類面臨的健康、能源、環境和生物安全等重大問題提供全新解決方案，變革人類的生產和生活方式。

結合當前合成生物技術及產業現狀，為充分發揮合成生物技術戰略科技力量，助推我國科技戰略實施，保障合成生物技術及產品迅速落地，促進合成生物產業健康高速發展，我們的建議如下：

第一，審慎而科學地規制與監管。在針對合成生物技術潛在風險的具體監管制度構建方面，應采用謹慎的、科學的理念和機制。建議為合成生物技術等前沿技術的研究與開發建立注冊登記系統，制定分類風險評估標準與計劃，由獨立的專家小組逐一評估每一類合成生物技術與產品。加快出臺具有針對性、可操作性的前沿生物技術產品市場準入規范及政府監管政策。

第二，提升科技支撐，加強產業配套。對標美國合成生物產業發展，不難發現，美國合成生物學產業發展已經在公司層面形成了非常強的技術壁壘以及“卡脖子”工藝。比如，Ginkgo Bioworks、Amyris、Zymergen等著名合成生物公司。針對合成生物產業發展，在現有基礎上，應加快推動國家級科研載體平臺及產業創新中心建立。解決好底層基礎理論構建以及技術概念驗證之后，加快產業化進程。依托自動化設施平臺及“樓上樓下創新創業綜合體”等創新模式，科研和產業“雙環耦合”探索“全過程創新生態鏈”。在市場與資本的雙重推動下，加速我國技術壁壘的形成，塑造反“卡脖子”、不被“卡脖子”的能力。

暢想未來，我們期待，合成生物學在科學研究的引領下催生出一系列具有變革性的前沿交叉技術，助推我國科技戰略實施；面向人民生命健康，為人類福祉作出更多貢獻。

（作者系中國科學院深圳先進技術研究院研究員，本報記者甘曉采訪整理）