探索合成生物学的现状及未来发展趋势

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二、合成生物学技术介绍

2.1 合成生物学主要工具

合成生物学的主要工具包括微生物细胞工厂构建技术、微生物高效合成化学品的代谢调控机制、无细胞合成技术。在合成生物学产业化的过程中，需要通过改造已有微生物细胞或设计并创建新的微生物元件，使底盘生物实现其特定的生物学功能。而在改造或创制这些微生物的过程中，需要对底盘生物基因组进行精简、插入或重构，而高效精准的基因编辑技术成为解决这些问题的有效手段。基因组编辑技术作为基因工程、代谢工程、医学研究等领域的重要技术，一直以来都是研究热点。传统的基因编辑方法如同源重组，存在打靶效率低、操作时间长和操作烦琐等问题。为了解决这些问题，陆续出现了 P1 转导技术、锌指核酶技术、RNA 干扰技术和转录激活因子效应蛋白核酸酶技术等。CRISPR 技术的出现，大大提高了基因组编辑的效率，同时降低了成本，使合成生物学的盈利成为可能。

表一：合成生物学的主要技术工具

大类	小类	释义
微生物细胞工厂构建技术	基因组编辑技术	细胞工厂代谢途径构建及优化的重要技术。通常的基因编辑技术有：Red 同源重组技术、锌指核酸酶技术、转录激活因子效应物核酸酶技术等。这些基因编辑技术在合 成生物学的发展中具有 「里程碑 」式的意义， 但存在耗时长、成本高及宿主局限性等缺陷，无法满足高效构建细胞工厂的需求。CRISPR 基因编辑技术具有操作简单、基因编辑效率高、成本低廉等优势，近年来得到了深入的开发，并广泛应用于生物及医药领域。
	多基因同时调控 技术	高效的产物合成途径不仅受限于某个单一的限速步骤，而是依赖多个酶的协同平衡。虽然通过质粒过表达的方式可以实现单一基因的过表达，但同时也会造成细胞代谢高负荷，对生长代谢和产物合成均不利。通过多基因同时调控技术，可以合理调控代谢途径表达的平衡。
	蛋白骨架技术	在细胞工厂的代谢途径中，参与反应的酶与底物之间的距离及合成途径上相邻的酶所处的空间位置是影响代谢途径效率的一个重要因素。通过人工合成蛋白质骨架的技术，使酶按照特定的空间位置锚定在骨架上，可以使相关的酶聚集在特定的区域，增加了酶与底物的结合概率，进而提高产物合成速率。另外，蛋白质骨架也可以调节酶的催化效率，获得最优的催化效率组合，最终提高产物合成效率。
	基因动态调控技术	基因动态调控技术的基本思路是：设计人工基因回路，使细胞能够感应外部环境条件的变化，在适当时间开启或关闭基因表达从而实现代谢通路的动态调控。已经建立的基因动态调控技术有：环境信号诱导的表达调控系统 （如碳源调控系统、光调控系统和温度调控系统等） 和内源信号诱导的表达调控系统 （如群体感应调控系统和压力感应调控系统） 。基因动态调控技术为细胞根据外部环境按需调控目的基因表达强度提供了技术方法。
	高通量筛选技术	细胞工厂的快速构建离不开高通量筛选技术的助力。微孔板是常用的高通量筛选试验器具，孔板内发生的生物、化学和物理变化事件可以由多功能酶标仪、流式细胞仪、液相色谱仪和质谱仪等检测仪器连续自动化读取。高通量筛选技术已用于基因调控元件强度分析、酶元件的新活性检测、基因线路的活性检测、天然产物的活性筛选等。
微生物高效合成化学品的代谢调控机制	物质代谢调控	微生物化学品的合成途径由多步生化反应组成，参与反应的酶元件与合成途径的适配性，影响着产物合成的效率。蛋白酶催化活性太低，成为整条途径的限速步骤；蛋白酶催化活性太高，而下游蛋白催化活性又较低，又会造成中间代谢物的积累。某些中间代谢物甚至对细胞会有较大的毒性，影响细胞的生长。
	能量代谢调控	还原力和 ATP 是能量代谢的关键调控因素。细胞在代谢葡萄糖等底物时产生还原力，在合成化学品时需要还原力。还原力供给量若小于需求量，会影响化学品的转化率和合成途径效率。另外，细胞需产生足够的 ATP 供细胞生长和产物合成。
	细胞代谢调控	优越的细胞生理性能是获得高效细胞工厂的关键因素之一。耐渗透胁迫是细胞生理性能的重要方面。对于分泌到胞外的大宗化学品，产量越高，渗透胁迫越大，细胞需具备耐渗透胁迫能力才能获得高产量。
	无细胞合成技术	在体外组装大量酶和辅酶以实现复杂的生物转化，具有反应条件较温和、易于调控、产率高的特点。

资料来源：华安证券

图 7：合成生物学未来重要的研究方向

资料来源：《合成生物学》

2.2 合成生物学技术

其技术进步在以下四方面尤为突出：

1、基 因 编辑技术

DNA 从头合成、组装、测序等相关技术飞跃发展，即科学家们可以自主设计需要的核苷酸序列，并进行重新组合，或对未知序列进行测序，为后续其他人工设计流程奠定了基础。其中最典型的为测序技术的发展。2005 年首代测序仪 Roche454 单次仅可产生 400MB 的基因序列文件，完成全基因组测序需花费 11 年且费用高达亿元。2010 年的第二代测序仪 IlluminaHiseq2000 单次能产生 200 GB 的基因序列文件，不仅基因测序的速度在 5 年时间里提升了 500 倍，全基因组测序服务的价格也降至 5 万美元。2017 年，全球基因测序龙头 Illumina 公司发布新一代测序仪 NovaSeq，声称「Novaseq 能让基因组测序进入 100 美元的时代」。此外测序仪生产商还有 ThermoFisher、罗氏等跨国巨头，以及国内基因测序行业头部公司如华大基因、贝瑞基因等；

其中 CRISPR 技术是一种成本低、操作简便、效率高、功能多样的基因编辑技术，近年来被广泛应用于合成生物学、代谢工程和医学研究等领域，并彻底改变合成生物学学科。研发人员利用 CRISPR 技术可以更快、更精确地编辑基因。在大宗化学品代谢途径构建和改造中，CRISPR/Cas 基因编辑技术展现了广泛的适用范围，不仅开发和设计出了大量新的基因编辑元件、工具和基因线路，还成功地应用于大肠杆菌、谷氨酸棒杆菌、丙酮丁酸梭菌、链球菌、芽孢杆菌等原核微生物及酿酒酵母、曲霉等真核微生物细胞工厂的构建。

图 8：CRISPR 技术

资料来源：《合成生物学》

2、基因元件的标准化

随着人们对生物元件、遗传信息的开发研究不断深入，生物序列的不可见、已错配等问题给后续设计基因等操作带来较大不便。据此，麻省理工大学的奈特教授提出了「生物砖 （BioBricks） 」克隆技术，促进了标准化生物元件的装配，简化了设计与创造生命系统的过程，使生物合成更加简易快捷。即如同传统的机械制造那样，这项技术使得特定结构和功能的 DNA 序列可共用一个标准的接口，拼接起来可形成一个新的生命系统。将 DNA 看作元件进行改造或组装极大地促进了合成生物学的标准化、统一化；

3、微生物底盘改造技术及 「细胞工厂」

不管是天然产物生产、代谢工程增产还是植物中的药物、高附加值化学品生产，都依赖细胞或微生物作为底盘应用的「工厂」。近年来细胞或生物体基因 （组） 底盘改造技术的蓬勃发展，例如 CRISPR/Cas 系统可用于调控基因表达强度、敲除基因、定点突变等，动态调控技术可随细胞内重要代谢物或荧光指标变化而随时自我调整，这些都加快了人工构建理想性状细胞的进程，进而已有研究将该技术拓展到医疗相关 （如遗传病改造、修复等） 。随之涌现了大批公司尝试将合成生物学构建出的高产菌株开发落地，2005 年 Amyris 研发出了可以产生青蒿酸的酵母菌株，随后又开发了天然零卡路里甜味剂、法尼烯、大麻二酚等。类似的国外还有 Ginkgo、Zymergen、Novozymes 等，国内有凯赛生物、华恒生物等；

4、人工智能和机器学习指导下的新突破

人工智能和机器学习系统可按照「设计-构建-测试-学习 （Design-Build-Test-Learn） 」的循环流程，通过从大型实验数据集学习系统的行为模式，以预测复杂的细胞代谢、蛋白质结构，模拟分子间相互作用，优化启动子等基因元件，大大节省了理性设计时间，加速合成生物学的井喷式发展。

三、产业链

3.1 产业链整体划分

从产业链上下游角度来划分，上游为各类技术赋能公司，下游为各类产品应用型公司。

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