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編者按：近年來，學科間的交叉會聚越來越明顯，科技創新成果層出不窮。中國科協與生命科學學會聯合體、清潔能源學會聯合體、信息科技學會聯合體、軍民融合學會聯合體、智能製造學會聯合體聯合，通過長期的跟蹤研究，把握世界科技前沿動態，並定期以“中國科協創新智庫產品”發佈報告。本文主要介紹我國合成生物學領域近五年國內前沿技術、突破性成果以及取得的國際地位，為科技管理人員瞭解國內外生命科學的前沿技術及發展趨勢提供決策諮詢，也為研究與開發人員提供綜合的參考信息。
一、 近五年國內新理論、新原理、新觀點、新方法、新成果、新技術
合成生物學的發展很大程度上依賴人們對生命體內在運動規律的掌握，近年來國內的一些研究發現為有目的地改造生命體提供了理論基礎。
1. 基因組複製工程輔助的連續進化
2013年，李寅等提出了基於基因組複製工程的連續進化（Genome replication Engineering assisted continuous evolution，GREACE）概念。其原理是通過在微生物細胞中引入一系列經遺傳修飾的DNA 聚合酶校正元件使細胞進入一種高突變率的狀態，從而在篩選壓力條件下加速進化過程。經過一段時間的進化後，將校正元件從細胞中移除，這時細胞能維持穩定的基因型，同時能將這種優勢表型遺傳下去。這為解決在從頭合成基因組中表達異源蛋白時所面對的一些問題提供了有效的解決方法。
2. microRNA定量調控
2015年，清華大學自動化系、清華信息國家實驗室生物信息學研究部/合成與系統生物學中心汪小我和謝震研究組揭示了microRNA定量調控規律，發現microRNA的靶位點結合能力對競爭性內源RNA（ceRNA）效應強度影響的函數關係，並闡述了microRNA通路和RNAi通路競爭效應的不對稱性。該研究為合理的設計有效的RNAi實驗來減少siRNA的脫靶效應提供了理論基礎，為未來用RNAi技術有效設計疾病基因靶向治療等提供了理論基礎。
3. 定製特定大小的細菌細胞
2016年，中科院深圳先進技術研究院合成生物學工程研究中心研究員劉陳立團隊發現細胞通過控制DNA複製的起始來協調細胞個體的大小，二者之間的關係可以用一個簡單的數學公式來描述，該公式具有廣泛的適用性。基於該定律，結合定量調控特定蛋白表達水平的基因迴路，人們可以根據實際需求輕鬆設計並建造出特定長寬的細菌細胞。該研究對實現創造生命這一目標有著積極的意義。定向改造基因組序列為我們解決其中的某些問題提供了新的思路。
4. 活病毒疫苗
2016年，北京大學醫學部周德敏等研究人員利用琥珀密碼子（終止密碼子）可以識別非天然氨基酸的原理，通過將病毒複製基因的某個或部分編碼密碼子突變成終止密碼子，使其在感染人體細胞後，不能進行完整的蛋白質翻譯，從而獲得了活病毒疫苗。所獲得的病毒疫苗具有安全性和有效性。並且進一步突變三個以上三聯碼，病毒還由預防性疫苗變為治療病毒感染的藥物，且隨著三聯碼數目的增加而藥效增強。這一發現顛覆了病毒疫苗研發的理念，成就了活病毒疫苗的重大突破。
二、近幾年我國在DNA組裝技術方面的研究也有突破性的成果
1. CATCH技術：
2015年，清華大學的朱聽課題組在Nature Communications雜誌在線發表了題為CATCH enables one-step targeted cloning of large gene clusters的論文，他們首次體外應用Cas9系統實現對上百kb的基因組片段的靶向克隆。利用體外轉錄製備的sgRNA和表達純化的Cas9蛋白特異性酶切目標全基因組，並通過Gibson Assembly原理將長達100 kb的目標片段一步連接到細菌人工染色體上實現特異性克隆。該技術的開發將極大簡化對能夠表達具有高附加值生物大分子的基因簇的克隆步驟，節省時間並降低成本。
2. C-Brick 技術：
2016年，中國科學院上海生命科學研究院的趙國屏課題組利用 CRISPR 相關蛋白 Cpf1開發C-Brick 體外DNA拼接技術。Cpf1 可以由人工設計的 crRNA 特異性引導切割 DNA並形成 5’突出的粘性末端，通過類似 BioBrick的前後綴設計思路，從而實現 DNA 元件的標準化拼接。C-Brick技術從根本上解決了以下兩個問題：(1) 所用酶識別位點不能分佈的太廣泛；(2) 所產生的scar不能太長，不能編碼稀有密碼子，不能編碼極性太強的氨基酸（造成融合蛋白不可溶）。利用C-Brick，趙國屏課題組已成功地拼接了多個熒光基因，進一步促進DNA組裝技術的發展。
3. CasHRA技術：
2016年，中國科學院上海生命科學研究院覃重軍團隊開發了CasHRA (Cas9-facilitated Homologous Recombination Assembly) 技術。利用酵母原生質體融合，結合 Cas9 在體內切割釋放出待拼接的 DNA 片段，然後利用酵母體內重組系統將片段拼接，最後得到 1.03 M 的MGE-syn1.0 最小大腸桿菌基因組，首次實現兆（M）級別的基因片段的靶向克隆，為合成生物學的進一步發展提供了潛在的研究框架。
這些DNA 組裝新技術的不斷髮展，無論是在尺度上還是效率上，均有了質的飛躍，使得DNA組裝技術更簡便、高效，且進一步促進了更大更復雜DNA片段組裝技術的發展。
三、我國合成生物學發展水平、戰略需求及研究方向
由於合成生物學需要基於系統生物學所發現的生命體的運動規律來設計或者改造一個生命體，因此合成生物學的發展瓶頸主要在於系統生物學。今後生物學家面臨的關鍵問題將不再是如何通過分子生物學操作來創建新的菌株，而是如何通過模擬分析確定怎樣的序列才能使形成的新生命體具有期望的功能。太強調“生物元件”很難找出有普適意義的人工系統，因此我國在開展合成生物學研究時應該走出思維困境，轉變科學研究的方式、規範以及戰略。
由此可見，我國合成生物學的發展正在逐步追趕發達國家，並形成一套符合我國國情的、具有現實意義導向的，並且能夠引領全球合成生物學發展的模式。由於合成生物學應用領域廣泛、實用價值高，我國對其發展應保持支持和鼓勵的方針，倡導和加強國防、醫療、環境、材料、經濟、能源、食品和農業等領域對合成生物學的學習認識。
中國科協生命科學學會聯合體供稿，原文內容有刪減。
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