最近，美國科學家Craig Venter在學術(shù)雜志《細胞》（Cell）發(fā)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(lǐng)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(shè)計能力和建造能力方面都對合成生物學的發(fā)展作出了重要貢獻，例證了“設(shè)計-合成-分析-再設(shè)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(lǐng)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(shè)計與化學合成；將釀酒酵母的16條天然染色體人工創(chuàng)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(zhì)開辟了新方向；揭示了生物系統(tǒng)“有序性”的形成原理，為合成生物學家從頭設(shè)計復雜生命體系提供重要理論指導；首次構(gòu)建自調(diào)節(jié)可重構(gòu)的DNA電路，為發(fā)展新型生物計算和基因編輯技術(shù)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(shè)備實現(xiàn)對胰島素合成和釋放的精準調(diào)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(guān)產(chǎn)品也已經(jīng)開始陸續(xù)走進人們的生活。前段時間關(guān)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(chǎn)品，已于去年或?qū)⒂诮衲赀M入市場。這些產(chǎn)品本身或者其中重要成分是通過工程改造的細胞生產(chǎn)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(shè)計理念，改造或創(chuàng)造人工生命系統(tǒng)，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(xié)調(diào)機制、最簡基因組以及細胞生長規(guī)律等方向的研究。例如，我們課題組構(gòu)建了全新的細菌細胞“空間遷移唯象模型”，可以為從頭設(shè)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(chǎn)物合成途徑優(yōu)化以及活體藥物開發(fā)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(gòu)建人工酵母菌，引入了醫(yī)用大麻素的相關(guān)基因，通過工業(yè)化發(fā)酵，在幾周之內(nèi)就可以生產(chǎn)大量醫(yī)用大麻素，為其大規(guī)模藥用奠定了基礎(chǔ)。

合成生物學之所以能夠被如此重視，與其說技術(shù)優(yōu)勢，不如說是研究范式上的改變——傳統(tǒng)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(guān)重要科學問題的解決帶來新的機遇。

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

合成生物學面臨的最主要挑戰(zhàn)是缺乏理性（可預測性）設(shè)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(guī)律有清楚認識的“白箱”模型，以及著眼于系統(tǒng)表型及其關(guān)聯(lián)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(zhàn)。定量生物學應用數(shù)理邏輯思維研究生物系統(tǒng)基本原理，旨在用簡單定量關(guān)系描述復雜生物過程反過來，能夠幫助人們理性設(shè)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(gòu)建合成生物系統(tǒng)，驗證定量生物學對生命現(xiàn)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(fā)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(xiàn)高層次的“功能涌現(xiàn)”。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(tǒng)－體系”，自下而上在不同尺度上重新構(gòu)建人工生物系統(tǒng)，這種科學范式能夠為回答生命科學這一基礎(chǔ)科學問題提供啟示。進而，甚至有希望探討建立生命系統(tǒng)跨尺度統(tǒng)一理論的問題。

總體來說，發(fā)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(tǒng)化的變革，不僅對揭示生命本質(zhì)和探索生命過程基本規(guī)律具有重要意義，還可為解決人類面臨的健康、能源、環(huán)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(chǎn)和生活方式。

結(jié)合當前合成生物技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，為充分發(fā)揮合成生物技術(shù)戰(zhàn)略科技力量，助推我國科技戰(zhàn)略實施，保障合成生物技術(shù)及產(chǎn)品迅速落地，促進合成生物產(chǎn)業(yè)健康高速發(fā)展，我們的建議如下：

第一，審慎而科學地規(guī)制與監(jiān)管。在針對合成生物技術(shù)潛在風險的具體監(jiān)管制度構(gòu)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(shù)等前沿技術(shù)的研究與開發(fā)建立注冊登記系統(tǒng)，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(shù)與產(chǎn)品。加快出臺具有針對性、可操作性的前沿生物技術(shù)產(chǎn)品市場準入規(guī)范及政府監(jiān)管政策。

第二，提升科技支撐，加強產(chǎn)業(yè)配套。對標美國合成生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)，美國合成生物學產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)在公司層面形成了非常強的技術(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，應加快推動國家級科研載體平臺及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心建立。解決好底層基礎(chǔ)理論構(gòu)建以及技術(shù)概念驗證之后，加快產(chǎn)業(yè)化進程。依托自動化設(shè)施平臺及“樓上樓下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)綜合體”等創(chuàng)新模式，科研和產(chǎn)業(yè)“雙環(huán)耦合”探索“全過程創(chuàng)新生態(tài)鏈”。在市場與資本的雙重推動下，加速我國技術(shù)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(lǐng)下催生出一系列具有變革性的前沿交叉技術(shù)，助推我國科技戰(zhàn)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(shù)研究院研究員，本報記者甘曉采訪整理）