合成生物学：21世纪最重要的生物技术平台

曾与诺贝尔奖获得者屠呦呦一道为世人所熟知的青蒿素，最初是从植物黄花蒿提取而来。但是植物提取存在占用耕地、依赖环境气候、提取过程繁琐等问题。21世纪初，杰·基斯林将青蒿素的基因引入人造酵母——也就是说，只要给酵母喂点淀粉，再用发酵罐均匀一摇，人工改造的酵母就能像“酿酒”一样生产出大量的青蒿素。这个意义不可小觑——解决青蒿素的生产原料问题，从某种意义上就是解决了治疗疟疾药物的生产问题。有统计显示，杰·基斯林的这种方法使用可控的100立方米工业发酵罐，足以替代5万亩的传统农业种植。

作为21世纪生物学领域新兴的一门学科，合成生物学是分子和细胞生物学、进化系统学、生物化学、信息学、数学、计算机和工程学等多学科交叉的产物。发展迄今，已在生物能源、生物材料、医疗技术以及探索生命规律等诸多领域取得了令人瞩目的成就。2014年，美国国防部将其列为21世纪优先发展的六大颠覆性技术之一；英国商业创新技能部将合成生物技术列为未来的八大技术之一；我国在2014年完成的第三次技术预测中，将合成生物技术列为十大重大突破类技术之一。我国在“十三五”科技创新战略规划中，已将合成生物技术列为战略性前瞻性重点发展方向。

合成生物学是生物科学理论研究的重要突破，使人类能够以“上帝视角”去了解生物的进化历程和结构机理。1953年DNA双螺旋结构的发现被称为第一次生物科技革命，它使生命科学研究进入到分子遗传学和分子生物学时代。2003年人类基因组测序成功标志着第二次生物科技革命的到来，我们因此能够大规模地“读取”遗传信息，并引领生命科学研究进入组学和系统生物学时代。而合成生物学是在系统生物学的基础上，结合工程学理念，采用基因合成、编辑、网络调控等新技术，来“书写”新的生命体，或者改变已有的生命体，这将使人类对生命本质的认识获得质的提升，从而引领了第三次生物科技革命。

另一方面，合成生物学又具有生物制造的属性。生物制造经历了两次革命。第一次发生在20世纪50−60年代，通过大规模发酵，使抗生素、氨基酸、维生素等药品、食品和营养品实现工业化生产，我们今天称之为传统生物技术。第二次发生在20世纪80年代，分子遗传学的发展导致产生了基因操作技术，通过基因克隆、表达、修饰或转移，实现了各种高附加值的生物制品生产，“一个基因，一个产业”，发展成今天的生物技术战略性新兴产业。合成生物学则是利用系统生物学知识，借助工程科学概念，从基因组合成、基因调控网络与信号转导路径，到细胞的人工设计与合成，完成单基因操作难以实现的任务，将极大地提升基因生物技术的能力并拓展其应用范围。因此有理由认为，合成生物学正在催生第三代生物技术。

合成生物学概念被广泛关注，最早可追溯到2004年在麻省理工学院举办的“合成生物学 1.0”大会。那次会议的最大亮点在于，风险投资机构对合成生物学的进展感到非常兴奋，他们看到了该领域研究对于生物学的重大意义，尤其是在生物能源方面。

在随后的几年内，有很多合成生物学初创公司相继成立，融资额也相当巨大。但这并不是一个好的转折点，甚至在某种程度上使合成生物学的发展遭遇挫折。当时合成生物学在生物能源方面的研究成果并不具有经济效益，在规模化方面根本无法与传统化石能源相抗衡。在随后的五年内，这些公司相继倒闭，那也是合成生物学商业化进程中失去的五年。

近年来，伴随CRISPR等基因组编辑技术的不断革新，以及同样快速发展的大数据、人工智能和机器人技术等，合成生物学的前景变得越来越明确，合成生物学的产业化发展迎来一个爆发期，具有以下几方面新的表现：

第一，涉及领域越来越广。从生物能源扩展到生物基材料、微生物机器人、食品、农业、生物医药、疾病治疗、稀有资源量产、环境修复以及生物工程技术平台的开发等诸多领域。

例如日本科学家将放线菌的基因转移到大肠杆菌，通过设计新的代谢途径，生产出可耐400摄氏度高温的生物塑料。整个生产过程节约能源并减少了二氧化碳的排放。作为产品的生物塑料可自然降解，有利于保护环境。

美国最大的合成生物学创业公司Ginkgo Bioworks，通过将玫瑰的基因整合到酵母的基因组上，实现了利用酵母大量生产价格昂贵的玫瑰精油。该公司已与法国知名香水企业建立了合作关系，市场前景值得期待。

（合成生物学企业融资，数据来源：synbiobeta）

第二，初创企业大幅增加，融资额不断增长。据美国SynBioBeta数据显示，全球合成生物公司今年第一季度共获投资6.5亿美元，规模达去年同期的2倍；第二季度投资额达9.25亿美元，较去年同期增长4倍，并且此时期获资助公司多位于美国硅谷和美国东北部。全球合成生物产业2018年募资额有望达到30亿美元。此外，英国合成生物学国家产业转化中心（SynbiCITE）于7月12日发布的《2017年英国合成生物学初创调查》显示，英国在2000-2016期间共成立146家合成生物企业，在此期间公司数量每5年翻一番；在2010-2014的五年期间，企业共获得2.2亿英镑投资，是此前5年的5.5倍；企业在2015-2017期间获得投资进一步增加，仅3年就募集超过4亿英镑投资。

（全球合成生物学融资历史（2012-2016），数据来源：CB Insights）

第三，越来越多的顶级科学家投身创业大潮，科研成果的产业化进程提速。合成生物学公司Synlogic由麻省理工学院生物工程学教授、合成生物学先驱詹姆斯·柯林斯创办，并于2017年8月在纳斯达克上市；Ginkgo Bioworks公司由麻省理工学院计算机科学和合成生物学先驱汤姆·奈特参与创办，目前已获4.29亿美元融资，估值超过10亿美元；Synthetic Genomics公司由美国合成生物学先驱克莱格·文特尔（曾公然挑战 “国际人类基因组计划”而闻名）及诺贝尔奖获得者汉密尔顿·史密斯创办；enEvolv由哈佛医学院基因组研究中心主任乔治·丘奇创办等。

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