真正的顛覆性技術(shù)具有兩個(gè)共性：一是基于堅(jiān)實(shí)的科學(xué)原理，它不是神話或幻想，而是對(duì)科學(xué)原理的創(chuàng)新性應(yīng)用；二是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的集成創(chuàng)新，并非設(shè)計(jì)、材料、工藝領(lǐng)域的“線性創(chuàng)新”。——徐匡迪，中國(guó)工程院院士

曾與諾貝爾獎(jiǎng)獲得者屠呦呦一道為世人所熟知的青蒿素，最初是從植物黃花蒿提取而來(lái)。但是植物提取存在占用耕地、依賴環(huán)境氣候、提取過(guò)程繁瑣等問(wèn)題。21世紀(jì)初，杰·基斯林將青蒿素的基因引入人造酵母——也就是說(shuō)，只要給酵母喂點(diǎn)淀粉，再用發(fā)酵罐均勻一搖，人工改造的酵母就能像“釀酒”一樣生產(chǎn)出大量的青蒿素。這個(gè)意義不可小覷——解決青蒿素的生產(chǎn)原料問(wèn)題，從某種意義上就是解決了治療瘧疾藥物的生產(chǎn)問(wèn)題。有統(tǒng)計(jì)顯示，杰·基斯林的這種方法使用可控的100立方米工業(yè)發(fā)酵罐，足以替代5萬(wàn)畝的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植。事實(shí)上，合成生物學(xué)還被寄于更高的期望。

作為21世紀(jì)生物學(xué)領(lǐng)域新興的一門學(xué)科，合成生物學(xué)是分子和細(xì)胞生物學(xué)、進(jìn)化系統(tǒng)學(xué)、生物化學(xué)、信息學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)和工程學(xué)等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物。發(fā)展迄今，已在生物能源、生物材料、醫(yī)療技術(shù)以及探索生命規(guī)律等諸多領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。2014年，美國(guó)國(guó)防部將其列為21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的六大顛覆性技術(shù)之一；英國(guó)商業(yè)創(chuàng)新技能部將合成生物技術(shù)列為未來(lái)的八大技術(shù)之一；我國(guó)在2014年完成的第三次技術(shù)預(yù)測(cè)中，將合成生物技術(shù)列為十大重大突破類技術(shù)之一。我國(guó)在“十三五”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略規(guī)劃中，已將合成生物技術(shù)列為戰(zhàn)略性前瞻性重點(diǎn)發(fā)展方向。

“建物致知”的合成生物學(xué)

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·菲利普·費(fèi)曼曾說(shuō)，“我不能創(chuàng)造的東西，我就不理解”。合成生物學(xué)正是可以通過(guò)構(gòu)造人工生物系統(tǒng)來(lái)研究生命科學(xué)中的基本問(wèn)題。它有兩個(gè)用途：一是通過(guò)人造細(xì)胞工廠進(jìn)行高效生產(chǎn)，“造來(lái)用”；二是通過(guò)人造生命了解生物基礎(chǔ)法則，“造來(lái)懂”。因此有學(xué)者稱這項(xiàng)技術(shù)為“建物致知”。

合成生物學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容分為三個(gè)層次：一是利用現(xiàn)有的天然生物模塊構(gòu)建新的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)并表現(xiàn)出新功能；二是采用從頭合成方法人工合成基因組DNA；三是人工創(chuàng)建全新的生物系統(tǒng)乃至生命體。基因測(cè)序、基因合成以及基因編輯技術(shù)的加速發(fā)展為合成生物學(xué)領(lǐng)域的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；而計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、先進(jìn)制造及自動(dòng)化等技術(shù)為合成生物學(xué)的應(yīng)用插上了騰飛的翅膀。

引領(lǐng)“第三次生物科技革命”的合成生物學(xué)

合成生物學(xué)是生物科學(xué)理論研究的重要突破，使人類能夠以“上帝視角”去了解生物的進(jìn)化歷程和結(jié)構(gòu)機(jī)理。1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)被稱為第一次生物科技革命，它使生命科學(xué)研究進(jìn)入到分子遺傳學(xué)和分子生物學(xué)時(shí)代。2003年人類基因組測(cè)序成功標(biāo)志著第二次生物科技革命的到來(lái)，我們因此能夠大規(guī)模地“讀取”遺傳信息，并引領(lǐng)生命科學(xué)研究進(jìn)入組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)時(shí)代。而合成生物學(xué)是在系統(tǒng)生物學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程學(xué)理念，采用基因合成、編輯、網(wǎng)絡(luò)調(diào)控等新技術(shù)，來(lái)“書寫”新的生命體，或者改變已有的生命體，這將使人類對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)獲得質(zhì)的提升，從而引領(lǐng)了第三次生物科技革命。

另一方面，合成生物學(xué)又具有生物制造的屬性。生物制造經(jīng)歷了兩次革命。第一次發(fā)生在20世紀(jì)50?60年代，通過(guò)大規(guī)模發(fā)酵，使抗生素、氨基酸、維生素等藥品、食品和營(yíng)養(yǎng)品實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，我們今天稱之為傳統(tǒng)生物技術(shù)。第二次發(fā)生在20世紀(jì)80年代，分子遺傳學(xué)的發(fā)展導(dǎo)致產(chǎn)生了基因操作技術(shù)，通過(guò)基因克隆、表達(dá)、修飾或轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了各種高附加值的生物制品生產(chǎn)，“一個(gè)基因，一個(gè)產(chǎn)業(yè)”，發(fā)展成今天的生物技術(shù)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。合成生物學(xué)則是利用系統(tǒng)生物學(xué)知識(shí)，借助工程科學(xué)概念，從基因組合成、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑，到細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成，完成單基因操作難以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，將極大地提升基因生物技術(shù)的能力并拓展其應(yīng)用范圍。因此有理由認(rèn)為，合成生物學(xué)正在催生第三代生物技術(shù)。

或?qū)⒂瓉?lái)產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的合成生物學(xué)

????合成生物學(xué)概念被廣泛關(guān)注，最早可追溯到2004年在麻省理工學(xué)院舉辦的“合成生物學(xué) 1.0”大會(huì)。那次會(huì)議的最大亮點(diǎn)在于，風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)對(duì)合成生物學(xué)的進(jìn)展感到非常興奮，他們看到了該領(lǐng)域研究對(duì)于生物學(xué)的重大意義，尤其是在生物能源方面。

在隨后的幾年內(nèi)，有很多合成生物學(xué)初創(chuàng)公司相繼成立，融資額也相當(dāng)巨大。但這并不是一個(gè)好的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，甚至在某種程度上使合成生物學(xué)的發(fā)展遭遇挫折。當(dāng)時(shí)合成生物學(xué)在生物能源方面的研究成果并不具有經(jīng)濟(jì)效益，在規(guī)模化方面根本無(wú)法與傳統(tǒng)化石能源相抗衡。在隨后的五年內(nèi)，這些公司相繼倒閉，那也是合成生物學(xué)商業(yè)化進(jìn)程中失去的五年。

近年來(lái)，伴隨CRISPR等基因組編輯技術(shù)的不斷革新，以及同樣快速發(fā)展的大數(shù)據(jù)、人工智能和機(jī)器人技術(shù)等，合成生物學(xué)的前景變得越來(lái)越明確，合成生物學(xué)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迎來(lái)一個(gè)爆發(fā)期，具有以下幾方面新的表現(xiàn)：

第一，涉及領(lǐng)域越來(lái)越廣。從生物能源擴(kuò)展到生物基材料、微生物機(jī)器人、食品、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、疾病治療、稀有資源量產(chǎn)、環(huán)境修復(fù)以及生物工程技術(shù)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)等諸多領(lǐng)域。

例如日本科學(xué)家將放線菌的基因轉(zhuǎn)移到大腸桿菌，通過(guò)設(shè)計(jì)新的代謝途徑，生產(chǎn)出可耐400攝氏度高溫的生物塑料。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程節(jié)約能源并減少了二氧化碳的排放。作為產(chǎn)品的生物塑料可自然降解，有利于保護(hù)環(huán)境。

美國(guó)最大的合成生物學(xué)創(chuàng)業(yè)公司Ginkgo Bioworks，通過(guò)將玫瑰的基因整合到酵母的基因組上，實(shí)現(xiàn)了利用酵母大量生產(chǎn)價(jià)格昂貴的玫瑰精油。該公司已與法國(guó)知名香水企業(yè)建立了合作關(guān)系，市場(chǎng)前景值得期待。

（合成生物學(xué)企業(yè)融資，數(shù)據(jù)來(lái)源：synbiobeta）

第二，初創(chuàng)企業(yè)大幅增加，融資額不斷增長(zhǎng)。據(jù)美國(guó)SynBioBeta數(shù)據(jù)顯示，全球合成生物公司今年第一季度共獲投資6.5億美元，規(guī)模達(dá)去年同期的2倍；第二季度投資額達(dá)9.25億美元，較去年同期增長(zhǎng)4倍，并且此時(shí)期獲資助公司多位于美國(guó)硅谷和美國(guó)東北部。全球合成生物產(chǎn)業(yè)2018年募資額有望達(dá)到30億美元。此外，英國(guó)合成生物學(xué)國(guó)家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化中心（SynbiCITE）于7月12日發(fā)布的《2017年英國(guó)合成生物學(xué)初創(chuàng)調(diào)查》顯示，英國(guó)在2000-2016期間共成立146家合成生物企業(yè)，在此期間公司數(shù)量每5年翻一番；在2010-2014的五年期間，企業(yè)共獲得2.2億英鎊投資，是此前5年的5.5倍；企業(yè)在2015-2017期間獲得投資進(jìn)一步增加，僅3年就募集超過(guò)4億英鎊投資。

（全球合成生物學(xué)融資歷史（2012-2016），數(shù)據(jù)來(lái)源：CB Insights）

第三，越來(lái)越多的頂級(jí)科學(xué)家投身創(chuàng)業(yè)大潮，科研成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提速。合成生物學(xué)公司Synlogic由麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)教授、合成生物學(xué)先驅(qū)詹姆斯·柯林斯創(chuàng)辦，并于2017年8月在納斯達(dá)克上市；Ginkgo Bioworks公司由麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和合成生物學(xué)先驅(qū)湯姆·奈特參與創(chuàng)辦，目前已獲4.29億美元融資，估值超過(guò)10億美元；Synthetic Genomics公司由美國(guó)合成生物學(xué)先驅(qū)克萊格·文特爾（曾公然挑戰(zhàn) “國(guó)際人類基因組計(jì)劃”而聞名）及諾貝爾獎(jiǎng)獲得者漢密爾頓·史密斯創(chuàng)辦；enEvolv由哈佛醫(yī)學(xué)院基因組研究中心主任喬治·丘奇創(chuàng)辦等。

學(xué)科交叉、融合創(chuàng)新的合成生物學(xué)

在中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)工程研究中心有這樣一支隊(duì)伍，從學(xué)科來(lái)看，團(tuán)隊(duì)中的12位課題組組長(zhǎng)（PI），有研究微生物學(xué)的，有研究合成基因組學(xué)的，也有研究理論物理方向的，甚至有專攻微流控芯片的。這樣一個(gè)成立不足4年、平均年齡僅36歲的“雜牌軍”，卻在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得了不俗的研究成果，至今已發(fā)表數(shù)篇《科學(xué)》論文，并吸引力了美國(guó)科學(xué)院院士、合成生物學(xué)領(lǐng)軍人物杰·基斯林來(lái)此建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。

作為一個(gè)新興的交叉學(xué)科，傳統(tǒng)的生物學(xué)研究方法已經(jīng)滿足不了合成生物學(xué)的發(fā)展要求。計(jì)算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)、理論物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科與生物學(xué)的深度交叉融合，才能碰觸出顛覆性的成果。告別“單打獨(dú)斗”的科研模式，真正打破科學(xué)家之間的“藩籬”和“圍墻”，或許是合成生物學(xué)給這個(gè)時(shí)代帶來(lái)的另一個(gè)顛覆。