合成生物学的历史与现状

“Synthetic biology”一词最早由法国物理化学家Stephane Leduc于1911年在其所著的《生命的机理》(The Mechanism of Life)一书中首次提出，在该书中其试图利用物理学理论解释生物起源和进化规律，认为“构成生物体的是其形态”，并归纳为“合成生物学是对形状和结构的合成”。

 Stéphane Leduc (1853-1939)

实际上，合成生物学技术的理论和技术基础直到20世纪中期才开始逐步建立，科学家们开始探索如何改变乃至于操纵生物体。21世纪初，随着DNA合成技术的进步和生物信息学的发展，合成生物学才成为了一个独立的研究领域。2003年，合成生物学的里程碑事件之一是合成了首个人工合成的细菌基因组，这代表人类有能力从零开始构建生物体。 

现如今，得益于技术突破、政策支持等，被誉为第三次生物技术革命的合成生物学取得突破性发展，这一领域的研究逐渐被大众所重视，技术逐渐在各个领域上发展、应用。麦肯锡数据显示，预计到2025年，合成生物学与生物制造的经济价值将达到1000亿美元，未来全球60%的物质生产可通过生物制造方式实现。

合成生物学的基本理念

合成生物学的核心理念是将工程学的设计原则融入生物学领域，通过设计和构建标准化的生物组件（俗称生物砖），科学家们能够像拼搭乐高积木一样组合这些模块，从而创造出具备特定功能的微生物或细胞。这种方法极大地促进了复杂生物系统的构建与改造。

合成生物学超越了单纯模仿自然界现有生物系统的范畴，它深入涉及对这些系统的重构与优化。借助DNA编辑与重组技术，科学家能引导生物体生成新颖且实用的化合物，或者提升已知化合物的生产效率。举例来说，通过改造细菌的遗传信息，可以促使它们生产出抗生素、维生素和疫苗等关键药物。

合成生物学在生物制药领域的应用

在所有应用领域中，合成生物学在生物制药领域的影响最为深远。通过这一学科，研究人员能够在微生物体内构建复杂的生物合成途径，从而生产出用传统方法难以合成的药物。以下是三类典型的应用：

1.药物生产

合成生物学利用重组DNA技术，将微生物转化为生产各类药物的生物工厂。我们可以借助设计-构建-测试-学习（DBTL）循环，结合微生物系统内的高通量筛选与定向进化技术，加快实验进程。药物生产主要包括以下几个关键步骤：

• 基因工程：科学家首先识别并合成能够催化特定药物生成的基因序列。

• 宿主选择与改造：挑选适合表达这些基因的微生物宿主（如大肠杆菌、酵母等），并运用基因工程技术将药物合成相关基因嵌入微生物的基因组。

• 优化生产：通过代谢工程调整微生物的代谢途径，提升目标药物的产量。这可能包括增加原料的供给、减少代谢副产品的生成，以及提高整体合成效率。

• 放大生产：在实验室阶段获得成功之后，采用生物反应器在更大规模上培养经基因改造的微生物，实现药物的工业化生产。

合成生物学在药物生产中的一般流程

此外，合成生物学可通过优化药物生产途径，提升药物大规模生产的经济性和效率。例如，青蒿素是一种源自青蒿植物的传统抗疟疾药物。借助合成生物学，我们能够通过酵母生产青蒿素，即通过将负责青蒿素生物合成的基因路径转入工程酵母细胞，使其能够生产青蒿素。这样一来，既减少了对植物资源的依赖，又显著降低了成本并提高了生产效率。

2.抗体生产

合成生物学在抗体开发中的应用彰显其在现代医学领域的革命性影响，尤其是在治疗癌症和自身免疫性疾病等复杂疾病方面。该学科利用活细胞系统，结合CRISPR-Cas9等基因编辑工具，设计并构建特定抗体的基因序列。随后，这些基因被植入到经过优化的宿主细胞（如哺乳动物细胞或微生物）中，以便高效生产出能够精确靶向病变细胞或病毒的高定制化抗体。合成生物学还被用于优化宿主细胞的代谢途径，从而增强原料供应和改进能量利用，最终提高抗体的产量和质量。

而无细胞系统则提供了一个更加快速和灵活的抗体生产平台，该系统从细胞中提取出必要的生物分子组件（例如核糖体和酶），并在体外环境中对这些组件进行重组，从而形成一个完整的蛋白质合成系统。这一系统能够实现从DNA到蛋白质的直接转换，因此极大地缩短了抗体的开发周期。无细胞系统特别适用于快速测试和优化新的抗体候选物，这使其成为应对病原体快速变化挑战（如流行性疾病爆发）的理想选择。

总的来说，通过活细胞和无细胞系统，合成生物学为医学研究和患者治疗带来了前所未有的速度和精准性，展现出巨大的潜力和多样化的应用前景。

无细胞系统及其应用

3.疫苗开发

在疫苗开发领域，合成生物学极大地提升了快速开发和定制疫苗的能力，特别是在应对流行病紧急情况时显示出独特优势。通过精准的合成技术，科学家能够设计并合成出能够有效激发免疫反应的病原体特定抗原的基因。随后，这些基因被植入合适的表达系统中，以促进疫苗成分的生产。此外，借助无细胞系统，可以迅速生成疫苗的关键组成部分，比如流感疫苗中的抗原蛋白。

另一项创新方法是设计能够在体外自组装成纳米粒子的蛋白质，这些纳米粒子通过模仿病原体的外观和大小，显著增强免疫系统的反应能力。例如，运用合成生物学方法可以设计出新型冠状病毒的刺突蛋白片段，这些片段能够高效地诱导免疫反应，为快速应对疫情提供了坚实的技术基础。这些先进技术不仅极大地加快了疫苗的研发进程，而且优化了疫苗的效果，为维护公共健康提供了强有力的新策略。

结语

合成生物学不仅能够加速药物的生产过程，还能提高药物的安全性和有效性。随着技术的不断进步和应用的深入拓展，合成生物学将在未来医药领域扮演越来越重要的角色。这些创新技术不仅推动了医药领域的快速发展，还展现了其在提高药物生产效率和降低成本方面的巨大潜力。合成生物学正引领药物生产进入一个新纪元，为人类健康事业带来革命性的变革。

参考文献