基于产业视角的合成生物学发展态势研究

近年来,受技术突破、政策支持、产业和资本跟进等因素驱动,合成生物学迅速从实验室走向市场,迎来产业化发展的关键时期。本文梳理了2020年以来国内外相关战略规划、政策法规、市场动态、商业合作和金融投资等信息,从产业视角对合成生物学发展态势进行分析。政府方面,合成生物学成为各国生物经济战略中的关键引擎,应用于医药、化工、材料、农业、食品等关联行业的技术路线和规划目标进一步清晰,支持新技术新产品商业化的监管机制不断优化,技术管控和科技安全问题受到关注。市场方面,基于合成生物学的实用成果相继迎来商业化“里程碑”,合成生物企业与传统制造企业“双向奔赴”、协同合作日益紧密,市场投资保持信心并趋于商业理性,有利产业发展的健康生态正加快完善。为加快推动我国合成生物学产业发展,建议进一步研究制定关键领域技术路线,支持底层使能技术、产业核心关键技术与核心装备攻关,推动重点行业应用示范,增强先进生物制造设施、数据资源等能力建设,鼓励各方共建有利合成生物产业化发展的产业生态。

依托合成生物学竞赛培养创新人才的探索与实践

培养具有科研创新实践能力的人才是高校人才培养使命的重要体现。随着科教融合理念的发展,学科竞赛已成为创新型人才培养的重要支撑。本文基于合成生物学领域的顶级国际性赛事国际基因工程机器大赛(iGEM)和国内赛事合成生物学竞赛-创新赛(SynBio)对于大学生主观能动性和创造力的要求,结合南京工业大学iGEM团队连续五年的参赛历程,探索了以高水平竞赛为依托的拔尖创新人才培养模式,提出了将竞赛、科研和教学三者相结合,通过建立以兴趣为导向、学生为主体的学习模式,以创新为核心、实践为基础的科研训练,以学科交叉为特色、团队协作为基石的教育平台,促进拔尖创新人才培养的质量不断提升。

合成生物学生成物能否适用于《卡塔赫纳生物安全议定书》?

合成生物学已成为《生物多样性公约》(以下简称《公约》)缔约方大会的重要谈判议题,但合成生物学生成物能否适用《卡塔赫纳生物安全议定书》(以下简称《议定书》)却尚未达成共识。在《公约》框架下提出“四层次分析+三步检验法”作为判断合成生物学生成物与《议定书》适用关系的方法:第一层次是活性生物体,与《议定书》界定的改性活生物体最相似,根据其所处发展阶段、生成物种类和所依赖的技术基础三步进行检验,以判断其是否适用《议定书》。第二层次是基因物质,如果其以生成生物实体为目的,那么可以将其纳入“活性生物体”范畴考虑,运用三步检验法进行具体分析。第三层次是生物系统,生物系统中的生物活体部分,可以适用《议定书》。第四层次是由合成生物技术生成的组成部分和产品,由DNA测序技术生成的组成部分和产品无需适用《议定书》;基于DNA合成技术、基因组设计、合成与组装、基因编辑技术生成的组成部分和产品,可以参照因物质层次的分析方法进行判断;基于元件工程、回路工程生成的组成部分和产品,由生物元件与基因回路组成后生成更高层级的生物系统且具有生成生物实体可能的部分,可以适用《议定书》。

合成生物学发展与展望

合成生物学作为认识生命的“钥匙”、改变未来的颠覆性技术,打开了从非生命物质向生命物质转化的大门,实现生命体系的理性设计与编辑,为生命科学研究提供了新范式,引领生物技术迭代发展,催生下一代生物制造新质生产力,塑造未来生物经济。发展二十余年来,合成生物学领域已取得系列突破,创新应用逐步实现,学科体系逐渐形成。合成生物学发展内容主要包括以下三个方面:一是理论体系的提出与构建;二是使能技术的系列突破;三是创新应用的逐步实现。基于合成生物学“造物致知”和“造物致用”核心理念,本文提出,合成生物学的未来发展趋势即人工合成单细胞生命和人工智能(AI)驱动的生物制造。

合成生物学赋能生物经济高质量发展的对策研究——以浙江为例

合成生物学作为融合生物学、工程学、化学和信息技术等学科的新兴领域,是21世纪生物学领域催动颠覆性创新的前沿代表,也是带动未来生物经济发展的关键力量。本文分析探讨国内外合成生物学发展态势,研究发现目前美国处于国际领先地位,国内仍处于早期发展阶段,但在专利申请等基础研究方面已有突出优势,初步形成以深圳、天津、上海为代表的合成生物学发展模式。结合浙江省合成生物学在技术储备、创新平台、标志性成果等方面的发展基础,基于比较分析视角研判其在战略谋划、创新资源、创新主体和科技伦理等方面存在的问题,针对性地提出加快合成生物学技术创新、产业发展,推动生物经济高质量发展的对策建议。

食品合成生物学技术助力产业新发展

食品合成生物学的发展将改变人类自诞生以来的食物获取方式,打破传统的营养摄入方式,进而对食品加工工业、农业种养殖业、人体营养健康等产生深刻的影响。发展合成生物产业需要考虑必要的基础条件和创新聚集能力,目前天津、山东、上海、浙江和深圳已成为我国合成生物学产业的重要发展区域。在食品合成生物学产业发展中,生物安全风险和食品安全风险是制定政策需要考虑的重要内容。本文围绕如何加快合成生物学产业园政策落地、产品上市和科普宣传等方面提供一些政策建议。

合成生物学点亮木质素增值之路

木质素是自然界最丰富的芳香化合物来源。然而,受到木质素结构复杂性和异质性的限制,木质素的解聚 和转化一直是其可持续利用的主要难题。新兴的合成生物学为木质素有效增值提供了良好的技术支持。本文简 要介绍了木质素解聚的多种策略,重点讨论了合成生物学在木质素转化为高附加值化学品的应用,并展望了今后 木质素生物转化的研究和应用的关键挑战。

研究生“合成生物学”课程混合式教学探索与实践

混合式教学已成为国内外高校课程教学改革的重要方向。文章以研究生“合成生物学”课程为例进行混合式教学的探索与实践。通过线上教学资源构建、案例教学、翻转课堂教学、课程思政建设、主题辩论引入等混合式教学方式及考核方式改革,使学生对合成生物学基础理论和前沿研究技术的理解更深入,自主学习能力明显提高,取得了良好的教学效果。

合成生物学在干细胞工程化改造中的研究进展

多能干细胞具备自我更新能力和多向分化潜能,其分化衍生的细胞及类器官在再生医学中具有巨大的应用潜力。但是干细胞临床转化仍然存在许多挑战。合成生物学“自上而下”的设计理念,结合基因编辑以及合成受体在内的强大工具库,能够赋予细胞新的功能,实现干细胞工程化改造。在此,本文总结了多能干细胞的临床应用和干细胞临床转化面临的主要挑战(干细胞分化衍生物的致瘤性、异质性、免疫原性),以及合成生物学在干细胞工程化改造中的应用(精确控制细胞命运、调控细胞通信、优化类器官结构功能、监测并清除致瘤细胞)。这些合成生物学工具为干细胞工程化改造提供了新的策略和平台,有望解决干细胞临床应用现存的诸多挑战,推动再生医学的进一步发展,实现“器官再生”这一核心目标。

合成生物学在肿瘤疫苗设计中的应用进展

根据中心法则和细胞免疫学原则,利用合成生物学设计和生产新型肿瘤疫苗代表了癌症免疫治疗中的一个重要途径。本文概述了利用合成生物学针对两个主要方面(抗原选择和疫苗设计)的创新治疗性肿瘤疫苗的最新研究进展。针对肿瘤相关或特定抗原,开发更精确和有效的肿瘤疫苗引起了广泛关注。传统方法在抗原选择中主要针对肿瘤中的特定基因,而以高通量测序及质谱为基础筛选新抗原的方法明显改善了疫苗的靶向性及免疫原性。在疫苗类别方面,与传统多肽疫苗相比,通过对DNA、mRNA、病毒/细菌、细胞的工程化修饰而成的新型疫苗显著扩大了肿瘤疫苗的范围,从而大幅增强了不同肿瘤疫苗的免疫效果。合成生物学的快速发展将加速对肿瘤疫苗的实验研究进度,最终导致临床治疗效果的持续增强。

肿瘤类器官及其在合成生物学中的研究进展

类器官技术的发展为更接近机体细胞组成和病理生理特征的癌症模型开辟了新途径。患者来源的肿瘤类器官在多次传代后仍能维持原有肿瘤的组织病理学及遗传表型特征,不仅可作为测试新型抗癌药物的优良模型,也可通过其药物敏感性测试预测患者的临床反应,为肿瘤患者的个体化精准治疗提供可靠的依据。合成生物学是以工程学思想为指导,提供独特工具来重建空间和动态信号,调控细胞间通信。合成生物学的快速发展,为肿瘤类器官在肿瘤的发生发展及肿瘤治疗等方面提供了一系列崭新的思路和方法,包括如何工程化重建类器官空间与动态信号、细胞稳态维持、细胞间通信调控等。本文概述了肿瘤类器官的构建过程及其在合成生物学中的应用,讨论了肿瘤类器官当前在构建效率、标准化、自动化、精确度等方面的局限性,最后展望了合成生物学在推动肿瘤类器官结构和功能复杂化方面的前景。

人工调控受体聚集的化学合成生物学策略及应用

细胞表面受体的聚集和激活在多种生物过程中发挥着重要作用,如细胞迁移、增殖、凋亡和分化。鉴于受体介导的细胞功能对健康和疾病的广泛相关性,研究人员一直致力于探究细胞受体信号传递和激活的生物化学和生物物理学机制,进而在其基础上开发多样的分子工程策略操纵受体信号和细胞功能。随着化学合成生物学的快速发展,一系列分子工程工具被开发出来用于理性控制受体,使得人工受体激活更加简单、精准和多样化。本综述首先总结了涉及调节受体聚集控制的关键功能元件,包括分子识别、空间组织、动态和细胞选择性元件。随后介绍了这些高度可控的功能模块在动态聚集、特定响应性、时空分辨和高细胞选择性的精准控制受体聚集分子工具的最新研究进展。此外强调了多种人工控制受体聚集的精准激活策略在细胞表型和命运操纵、免疫激活和活体组织修复方面的新兴应用。最后,本文从作用机理、元件工程、临床局限性、体内长效性等多个角度概述人工受体聚集策略当前面临的挑战和缺点。同时,本文也对其在疾病治疗领域的潜在应用进行了前瞻性的展望。

合成生物学在新冠病毒广谱疫苗研发中的应用

新型冠状病毒(SARS-CoV-2)自2019年底引发疫情至今,已经变异出Alpha、Beta、Delta和Omicron等不同谱系。传统疫苗的抗原序列来源于某一自然分离株的原始序列,疫苗迭代速度跟不上病毒变异的速度,导致突破性感染的发生,研发跨谱系的广谱疫苗是预防这类高变异呼吸道病毒的迫切需求。随着合成生物技术的发展,抗原的多价偶联、核心抗原模块的提取、抗原内部保守表位的工程化设计、抗原表位展示技术、计算指导的抗原重构等抗原“再设计”方案得以实现,提高了抗原的免疫原性和广谱性。合成生物学还体现在疫苗产品的生产工艺环节,基因工程表达的疫苗抗原以纳米颗粒、病毒载体、核酸、亚单位的形式,借助细菌、酵母、植物、昆虫或哺乳动物细胞等表达平台进行规模化生产。本文综述了近年来合成生物技术在广谱疫苗(尤其是广谱新冠病毒疫苗)多种设计策略中的应用情况,总结了合成生物技术如何通过反向疫苗学的设计展示全新的共性抗原表位和交叉抗原位点,达到“以不变应万变”的广谱保护效果。本文还讨论了多种广谱疫苗设计策略的应用场景及面临的挑战。基于合成生物技术的马赛克设计策略、保守表位工程化设计策略、计算共识序列策略和新型佐剂策略,结合不同的疫苗技术路线,可提高疫苗的免疫原性、广谱保护性和安全性。这为高变异病毒的疫苗研发提供了合成生物学的新思路。

合成生物学驱动下的疫苗创制策略

21世纪以来,生物医药领域的迅速发展为人类健康带来了前所未有的机遇,生物技术的不断创新为疾病的预防、诊断和治疗提供了新的途径与可能。在这个背景下,合成生物学对人类健康的作用愈发凸显,其在医学领域的应用正在革新人们对疾病预防和治疗的理念和方法,我国对于合成生物学在政策层面的支持也日益显著。2022年,我国首部生物经济五年规划出台,明确指出包括合成生物在内的生物经济是未来中国经济的重点发展方向。2023年,浙江省将合成生物学列为9个优先发展的未来产业之一,为合成生物学的研究和应用提供了更广阔的发展空间。政策导向为合成生物学的应用带来了更多的支持和关注,有望加速技术的成熟和推广,推动我国合成生物学及其他产业的发展。

药物合成生物学:药物研究的机遇与实践

数千年来,大自然一直是人类药物的重要来源。从天然资源中提取活性物质并应用于疾病治疗的历史源远流长。在我国,医学典籍《五十二病方》、《神农本草经》以及《本草纲目》等中都有大量关于动植物用药的记载。直到19世纪末,几乎所有的药物都来源于天然资源。此后,科学家们开始探究天然药物中真正发挥药效的活性成分,逐渐进入了以发现和分离鉴定为主的经典天然产物研究阶段。这个阶段发现了一系列重要的活性天然药物,如吗啡、奎宁、麻黄碱等,并将其推向市场,开启了人类利用天然产物类似物(或衍生物)作为药物的时代。

丹参酚酸类化合物的合成生物学研究进展

丹参酚酸类化合物是丹参发挥保护心血管系统、抗肿瘤与抗纤维化等多种药理作用的一类关键物质基础。以合成丹酚酸A、丹酚酸B和迷迭香酸等丹参酚酸类化合物为目标的微生物细胞工厂的构建,可以实现丹参酚酸类化合物异源高效合成,缓解临床对丹参药材的用药压力。本文就丹参酚酸类化合物的合成生物学、生物合成关键催化酶及其代谢调控等研究现状进行了归纳分析,以期为丹参酚酸类化合物的高效合成与资源应用提供科学依据。

合成生物学赋能生物制造探索新质生产力未来赛道

合成生物学作为生物制造领域的“明星选手”,正以前所未有的速度重塑多个行业,包括生物制药、生物农业、个人护理、高性能材料、化学能源以及食品健康等。通过深入剖析合成生物学产业链的各个环节,包括上游使能技术、中游赋能平台以及下游创新应用,可以发现这一新兴领域具有蓬勃活力与巨大潜力;通过展望该领域未来发展趋势,发现产业新赛道、技术新趋势,指导未来生命健康领域发展,激发新质生产力潜能。

合成生物学表型测试生物反应器及其装备化研究进展

合成生物学经过多年的发展,形成了典型的细胞工厂创制“设计-构建-测试-学习”(design-build-testlearn,DBTL)循环,成为支撑面向加速生物制造发展的智慧生物育种的重要方法。其中,测试环节是对前期所设计与构建的生物体系进行表型测试,以提供大量数据用于后续的学习和迭代升级。测试阶段的通量主要依赖于细胞自身或其培养测试所使用的生物反应器及其装备,是整个DBTL流程的限速步骤。本文系统综述了合成生物学表型测试所开发的面向不同通量的生物反应器及装备,从单细胞检测和筛选及不同尺度生物反应器包括皮纳升级生物反应器、微升级生物反应器、毫升级生物反应器和升级生物反应器等,系统地介绍了各自的特点和应用场景。同时,指出了现有生物反应器及其装备的应用潜力、面临的挑战与发展趋势,为合成生物学表型测试技术研究提供重要参考。

合成生物学在多糖结合疫苗研发中的应用

由于合成生物学的快速发展,目前已经实现了人工设计DNA和蛋白质的合成,对具有重要生物学功能、结构也更为复杂的糖类物质进行精准设计合成,也将是合成生物学未来发展的重要方向。近年来,一种基于细菌寡糖转移酶体系的蛋白多糖偶联技术发展迅速,已被广泛应用于病原细菌多糖结合疫苗的生物合成制备。本文综述了该技术体系中的寡糖转移酶元件、载体蛋白元件、异源多糖抗原合成线路以及工程菌株改造等核心关键模块的最新研究进展。使用生物活体系统,发酵生产多糖结合疫苗,具有产物均一性好、步骤简便、绿色环保等优势,是一种亟待发展的新兴技术,同时也存在一些技术细节需要完善。未来,寡糖转移酶的定向进化、纳米颗粒型蛋白载体的应用、多糖合成基因的组合重排、工程菌株的代谢途径优化,将有望进一步促进多糖结合疫苗的生物合成研究。

类器官技术与合成生物学协同研究进展

类器官由成体干细胞或多能干细胞在体外分化而来,可以在细胞类型、空间结构及生理功能上实现对体内组织器官的模拟。类器官的构建及技术完善,推动了发育生物学、遗传学、病理毒理学等发展。合成生物学是一门多学科交叉的新兴学科,以工程学思想为指导,旨在通过工程化、模块化的方法设计、改造、构建生物元件、系统、功能等。近年来类器官构建的优化方案体现了与合成生物学契合的研究理念,而合成生物学的发展及相关方法的产生也为类器官技术的发展起到了推动作用。本文将概述类器官和合成生物学的发展历程与面对的挑战,探讨类器官优化过程中合成生物学策略的体现与新兴的合成生物学工具对于类器官在时空命运调控、结构自组织及功能形成等方面的优化作用,简述基于类器官模型的研究对于合成生物学发展的促进作用。总的来说,本文旨在阐述合成生物学与类器官构建及优化之间相辅相成、互相促进的关系,并进一步探讨合成生物学与类器官在未来结合应用的潜力。