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　　内容简介

　　合成生物学因其所具有的革命式、颠覆式创新潜力，巳经成为世界各国必争的科技战略高地，正在引发新一轮科技与产业国际竞争。《中国合成生物学2035发展战略》力求综合性回顾合成生物学的发展历程并探讨其学科定义，界定学科内涵；多方位反映合成生物学的发展现状及其促进“会聚”研究的科学意义与提升人类“能力”的战略价值；深人分析该新兴学科自21世纪初创立到今天逐步厘清的关键科学问题、技术瓶颈及社会核心需求，寻求升级发展所面临的严峻挑战，以及抓住“大数据+人工智能”和“互联网+”开源共享平台蓬勃发展的机遇，实现突破，在科技、经济、政治、社会一并进人“百年未有之大变局”的背景下，“不负韶华”承担历史使命的战略思考与策略布局；为进一步强化合成生物技术战略科技工程力量，推动我国合成生物学高质量发展，推动合成生物学及会聚”研究的生态建设，高效率服务科技与社会发展，提供政策建议的参考。

　　目录

　　目录

　　总序/i

　　前言/vii

　　摘要/xi

　　Abstract/xxv

　　第一章 合成生物学的学科起源与发展历程/1

　　第一节 定义与内涵/2

　　一、定义/2

　　二、内涵/5

　　第二节 学科起源和发展历程/11

　　一、学科起源/11

　　二、学科发展历程/19

　　本章参考文献/30

　　第二章 合成生物学的科学意义与战略价值/36

　　第一节 科学意义/36

　　一、合成生物学催生生命科学的“会聚”研究范式/36

　　二、合成生物学推动生物技术革命/39

　　三、合成生物学提升人类自身能力/45

　　第二节 战略价值/46

　　一、合成生物学成为世界各国必争的科技战略高地/46

　　二、合成生物学将成为生物经济的新增长点/47

　　三、合成生物学技术是保障国家安全的重要科技支撑/59

　　本章参考文献/62

　　第三章 合成生物学的发展现状/69

　　第一节 国际合成生物学的发展现状/69

　　一、科技规划/69

　　二、工程平台（中心）和基础设施/76

　　三、科技产出/79

　　四、产业发展/83

　　五、人才培养/89

　　第二节 我国合成生物学发展现状/92

　　一、科技规划/92

　　二、平台（中心）和设施（基地）/95

　　三、科技产出/99

　　四、产业发展/100

　　五、人才培养/102

　　六、国际交流与合作/102

　　本章参考文献/105

　　第四章 合成生物学的未来发展/109

　　第一节 基础科学问题/109

　　一、生命功能的涌现/109

　　二、生命的工程化/112

　　三、合成生物学理性设计的研究范式/114

　　四、定量合成生物学的研究方法：白箱与黑箱/116

　　五、结语/118

　　第二节 重点技术主题/119

　　一、基因组编辑、合成与组装/119

　　二、设计技术/147

　　三、细胞工程/181

　　四、合成生物学先进分析技术/217

　　五、合成生物数据库、大数据智能分析与自动化实验/237

　　第三节 应用领域/250

　　一、低碳生物合成/250

　　二、合成生物能源/261

　　三、生物活性分子的人工合成及创新应用/275

　　四、健康与医药/289

　　五、农业与食品/328

　　六、纳米与材料/377

　　七、环境/399

　　本章参考文献/409

　　第五章 对我国合成生物学发展的政策建议/493

　　第一节 研究开发体系与能力建设/494

　　一、加强战略谋划和前瞻布局/494

　　二、打通科技成果转化的通道/494

　　三、营造有利于“会聚”的生态系统/495

　　第二节 综合治理与科学传播体系/496

　　一、建立科学高效的管理体系/497

　　二、加强生物安全和伦理风险评估与治理/497

　　三、建设公众参与和科学传播平台/499

　　第三节 教育与人才培养/500

　　一、夯实多学科专业基础和教育体系/500

　　二、培养具备跨学科研发能力的人才队伍/501

　　本章参考文献/502

　　附录/504

　　关键词索引/518

　　精彩书摘

　　第一章合成生物学的学科起源与发展历程

　　“生命是什么？”这既是人类每个文明体系都必须回答的哲学问题，也是与全人类健康生存繁衍、社会和谐发展密切相关的科学问题。当然，它也是现代社会经济与工程发展中处理与自然相互关系的核心技术问题之一。

　　尽管以还原论为主导的现代生命科学，特别是以DNA双螺旋结构解析为基础的分子生物学研究，确定了生命运动的“中心法则”（CentralDogma），又通过基因组全面解析以及以相关“组学”数据为基础的系统生物学的分析，将对生物体组成和生命运动规律的认识推向了前所未有的深度，并在此基础上发展形成了以部分操控生命—基因、蛋白质等生命分子到细胞，从微生物到动植物乃至人类自身（主要是其组织器官）—为核心的一系列生物技术与产品，但是对生命起源、演化（进化）以及生命运动本质的认识还远远不够，更确切地说，还只是“冰山一角”。

　　21世纪初，通过工程学思想策略与现代生物学、系统科学，以及合成科学的融合，形成了新兴交叉学科“合成生物学”。它是采用标准化表征的生物学元件，在理性设计指导下，重组乃至从头合成新的、具有特定功能的人造生命的系统知识和专有理论架构，并以相关的使能技术与工程平台作支撑。合成生物学的崛起，颠覆了生物学以发现描述和定性分析为主的传统研究范式，为生命科学提供了崭新的“会聚”研究思想，开启了可定量、可计算、可预测及工程化的新时代。它不仅将人类对于生命的认识和改造能力提升到一个全新的层次，也为解决与人类健康生活、社会和谐发展相关的全球性重大问题提供了重要途径。

　　第一节 定义与内涵

　　一、定义

　　合成生物学（synthetic biology）作为一个名词提出来，是基于合成化学

　　的成果，有超过百年的历史[1]；作为一个“愿景”提出来，是基于DNA重组技术的成功，也有半个世纪的历史[2]；但作为一个学科提出来，应该是21世纪初，基于基因线路的成功设计与合成[3]。因此，合成生物学虽然被作为一个新兴学科提出的时日尚短，但是其以高度学科交叉所禀赋的“会聚研究”特质向各学科有力渗透的现实，及其颠覆性技术与工程化工具库在提升人类应对社会经济挑战中“赋能”所展示的潜力，形成了参与者众多且背景杂陈的“特色”，故而对其定义及内涵的界定，至今见仁见智，难以达成共识。

　　针对这一难题，《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）期刊于2009年12月在其专辑中就合成生物学的定义发表了20位科学家的看法。哈佛大学的乔治 丘奇（George Church）教授认为：基因工程关注的是单个基因（尤其是克隆和过表达），将其延伸到系统范围即是基因组工程。介于二者之间的则是代谢工程。合成生物学是建立标准的生物元件、装置、系统组装及功能化过程，这种分层次组装的特性，可以允许在不同水平（亚分子水平直至超生态系统水平）上实施计算机辅助设计[4]。斯坦福大学德鲁 恩迪（Drew Endy）认为，合成生物学通过探索如何重新改造或组装生命分子，为我们提供了一条探索生命本质的新的科学途径。同时，生物工程师不仅能提供生物技术的应用，还能在开发新工具中做出贡献，因而可使新的生命构建过程越来越容易、安全。他特别指出，合成生物学的重要原则是标准化（standardization）、解耦合（decoupling）和模块化（modularization）[5]。其他科学家的看法见信息框1。

　　信息框1 部分科学家对“合成生物学”的定义

　　加利福尼亚大学伯克利分校亚当 阿金（Adam Arkin）认为：合成生物学旨在使在生物体内构建新功能的过程更加快速、便宜、规模化、可预测，并且是透明和安全的。它聚焦于改善标准基因工程技术，发展基因组装和快速标准化的生物元件，创建出基因元件家族，并产生安全、具有鲁棒性的宿主细胞。

　　瑞士苏黎世联邦理工学院马丁 富塞内格尔（Martin Fussenegger）认为：自从40多年前分子生物学诞生以来，一直利用一种相当简单的策略来解读组成地球上生命体的必需生物元件的清单。我们试图通过组装元件来创造功能系统是不可能的。而后基因组时代，提供了更多的基因功能信息，而且系统生物学为我们带来了生物化学代谢网络的更多细节，在这样的情况下，科学家已经准备好重新组装这些元件，以创造新兴的、有价值的功能。这就是合成生物学。

　　加拿大麦吉尔大学E.理查德 戈尔德（E.Richard Gold）认为：合成生物学是开发一种可以不用参考目前存在的生物体，即可被描述的新兴的生物体。

　　韩国先进科技学院李相烨（SangYup Lee）认为：起初，合成生物学被认为是重设计和重建生物元件和系统，而没有特定的生物技术目标；然而代谢工程旨在有目的地修饰代谢流及其他细胞网络以实现期望的目标，例如生物产品的过量生产。近年来，越来越难以区分两个学科间的差异，因为两个学科正在互相渗透。代谢工程正在采取合成生物学基因合成等策略，而合成生物学也在利用代谢工程以目标驱动来建立整个细胞代谢流的策略，而且，两者都在向系统生物学靠近。

　　此外，一些国际组织、研究团体也给出了不同的定义。例如，美国伍德罗 威尔逊国际学者中心（Woodrow Wilson International Center for Scholars）建立的合成生物学网站指出：合成生物学可分为两类，一类是从头设计与建造新的生物元件、装置和系统；另一类则是以某种目的，重新设计、改造现有的、天然的生物系统，使其具有新的、特定的功能[6]。英国皇家学会认为：合成生物学旨在对基于生物的元件、新的装置和系统进行设计和工程化，同时，也对现有的、自然界中存在的生物系统进行重新设计[7]（其他机构的定义见信息框2）。

　　信息框2 部分机构对“合成生物学”的定义

　　美国合成生物学工程研究中心（Synthetic Biology Engineering Research Center，SynBERC）指出：合成生物学是一个正在逐渐成熟的科学学科，它综合了工程和科学的概念来设计并构建新的生物功能和系统，包括设计和建造新型的生物元件、装置和系统，或重新设计并改造自然界已有的生物体系来实现各种应用目的。

　　欧盟委员会（EuropeanCommission）高级专家组（High-level Expert Group）认为：合成生物学是生物学的工程化，即复杂的、具有自然界不存在的功能的生物系统的合成。这种工程化思想可以应用到生物结构的各个层次上，从单分子到整个细胞、组织，直至生物体。本质上，合成生物学可以用理性的、系统的方法设计生物系统。

　　美国生物伦理问题研究总统委员会（Presidential Commission for the Study of Bioethical Issues）指出：合成生物学是一门综合了生物学、工程学、化学、遗传学和计算机科学的新兴交叉学科。传统生物学是理解和阐释生命结构及其化学组成，而合成生物学是把生化反应过程、生物分子及分子结构作为原料和工具来生产新的具有新型功能及应用的微生物。

　　目前，比较广泛认可的是尤恩.卡梅伦（Ewen Cameron）等于2014年提出的定义：合成生物学是在基因组科学、系统生物学基础上发展起来的，通过建立一系列通用的工程方法和实验室操作规范，利用分子生物学的工具和技术，对细胞行为进行正向工程化（forward-engineering）操作的领域[3]。这一定义，基本上比较完整地阐述了三个关键内容，一是学术基础，二是技术基础，三是工程学概念与实践的本质。因此，在学界内部，得到比较广泛的肯定。在进一步追溯合成生物学发展历史（见本章第二节）的基础上，我们对该定义又作了一些调整，强调了工程科学的理念与研究范式和创建工程化生命的“目的导向”，阐述了学科的理论架构与方法体系，而将学科的核心内涵另行详述。这个定义是：合成生物学是在工程科学“自下而上”理念的指导下，以创建特定结构功能的工程化生命或实现生命过程的工程化为导向，综合系统、合成、定量、计算与理论科学手段，以“设计—构建—测试—学习”（design-build-test-learn，DBTL）的迭代研究原理认识生命的理论架构与方法体系。

　　二、内涵

　　合成生物学的学科内涵一方面是其定义的充实，即阐明新兴交叉学科的基本要素，另一方面又紧密地与学科的研究内容与发展方向（将在第三章和第四章具体阐述）相联系。当然，对于如此交叉会聚又广为渗透影响的新兴学科的发展初期，依然是一个见仁见智的难题。

　　鉴于合成生物学的“会聚”特点，人们可以从不同的学科背景角度来理解其内涵。如果强调合成生物学的“合成科学背景”，人工合成基因组就成为其主要的内涵。它不仅能证明人类可以合成从细菌等低等生物到哺乳动物等高等生物的基因组或基因组片段，而且将提供研究这些基因组结构与功能关系的一种新策略，也能带动大规模DNA合成等方面的技术突破与产业提升，真正为生物技术的工程化奠定基础。如果强调合成生物学的“生物技术或代谢工程背景”，合成生物学使能技术给生物技术带来的颠覆性创新就成为其主要的内涵。它是生物技术走向大规模制造“复杂”生命产物的一个途径，其发展或将导致一种新制造模式的产生。它与基因工程和重组DNA技术之间*主要的差别是，在标准化流程、元件和组装概念的基础上[8]，对理性设计的“全面”落实，既要求向自然学习又要求抽象甚至形成工程化的“正交生命”；既要求设计复杂系统与复杂运动，又要求设计结果更系统、精准并形成简易可用的“数字化模型”体系。当然，也可能有人认为，合成生物学基本上是基因工程（genetic engineering）或者是代谢工程（metabolic engineering）的自然延伸；而在医学上的应用，也应该是基因治疗的新版本（gene therapy version2）。可是，越来越多的实践显示，合成生物学对生物技术与代谢工程的变革，绝对不是“延长线”式的发展，而是从“模拟”迈向“数字”的理论提升，是从“改造”迈向“设计”的能力突破，是从“单一实验室”迈向“共享实验平台”的研究生态革命。

　　无论如何，合成生物学区别于其他生命科学学科的核心，是其“工程学本质”。对合成生物学工程学本质的认识，*初，基本包括两个方面。一方面是其“自下而上”的正向工程学“策略”，因此，元件标准化→模块构建→底盘适配，包括对生命过程途径网络的组成及其调控的认识及“正交化生命”设计与构建，是其*核心的研究内容，而人工线路的合成，就是其*重要的工程化平台。另一方面，是目标导向的构（重构）建（建造）“人造生命”，因此，“自上而下”地构建“*小基因组”或“自下而上”地合成“人工基因组”，就成为其*核心的研究内容；大片段基因组操作和改造以及大规模、高精度、低成本DNA合成，是其*重要的两大使能技术；基因组的合成，就是其*重要的工程化平台。这两个方向的认识，基本抓住了合成生物学的“合成科学”“系统科学与分子生物学”“工程科学”三个来源会聚的本质，原则上是比较全面和准确的。

　　然而，生物学家认识工程科学的本质，是需要时间的。今天，我们认识到，工程本质上是人类综合已经掌握的科学知识与方法技术，形成的规模化改造自然，构建人类需要的“产品”的能力。工程化是通过“设计—构建—测试—学习”循环的不断完善，形成能满足人类需求的，能大规模、通用化复制的平台体系。可见，通过DBTL循环，提升“构建”能力，是工程科学的核心，而将这一能力落实到能够大规模、通用化实施来满足人类需求的平台体系，则是其能力体现的基础。合成生物学自身的基础理论研究与使能技术创新，一定要落实到这样的核心和基础上；当然，这就是合成生物学“研究的工程化”内涵，即在生命科学研究过程中，采用工程化的策略。

　　2015年，美国NancyJKelley &Associates咨询公司［由美国合成生物学工程研究中心（SynBERC）和阿尔弗雷德 斯隆基金会（Alfred Sloan Foundation）联合资助］联合伍德罗.威尔逊国际学者中心（Woodrow Wilson Internation