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》。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

开放实践场域下的合成生物技术伦理问题及治理

为应对新兴生物技术给人类带来的风险,从实践伦理的视角出发,分析合成生物技术研发、投产及使用场域过程中的实践逻辑和伦理问题,聚焦到合成生物技术特有的开放性特征,发现其在研发场域存在数据伦理、投产场域存在参与主体价值冲突,使用场域存在不确定性生物风险等伦理问题。在深入分析技术实践场域伦理困境的基础上,提出了技术层面和伦理规范的相关建议:制定数据库使用规则,提高数据库管理水平;开发新兴技术克服资源限制,采用多种实验方法防御;划分参与人员群体,针对性进行价值嵌入。

合成生物学助力细菌疫苗研发

细菌感染已成为全球第二大死亡因素,给人类健康与公共安全造成了巨大威胁。抗生素一直是治疗细菌感染最为主要的手段,但越来越严重的耐药问题给传统的抗生素疗法带来了严峻挑战。除了抗生素之外,疫苗被认为是防治传染性疾病传播最为科学、经济、安全和有效的手段,在人类抗击病原体感染斗争中发挥了重要作用。然而,细菌基因组庞大,致病机制复杂,研发疫苗存在有效抗原筛选、设计、制备难,抗原组合配伍难,有效性评价难,研发周期长等诸多瓶颈,导致细菌疫苗研发进展缓慢,尤其是临床常见的严重耐药致病菌尚无有效的疫苗可用。合成生物学是一门新兴的交叉学科,近年来在疫苗研究领域已经得到了广泛应用,包括抗原的筛选、理性设计、配伍组合,载体、佐剂和递送系统的设计以及免疫应答调控等。本文综述了细菌疫苗研究的现状以及耐药细菌疫苗临床试验研究进展,总结了合成生物学技术在几种重要类型细菌疫苗研发中的应用进展,最后对相关前景进行了展望。合成生物学在疫苗的形式、疫苗递送、疫苗的研制效率等方面为研究人员提供了更为广阔的空间,未来,应最大化地发挥合成生物学的优势,充分发展和应用合成生物学技术手段,建立科学、理性、有效、可行的管理制度,建设生物安全保障法律体系和监管措施,高效推动细菌疫苗研发,解决抗生素耐药问题,造福人类健康。

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。

合成生物技术助力纳米颗粒疫苗理性设计时代的到来

纳米颗粒疫苗自1981年首次应用于人体以来,经历逾40年的发展历程,在临床应用方面已取得了极大成功。尤其是在乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)、人乳头瘤病毒(human papillomavirus,HPV)等疫苗领域,纳米颗粒疫苗以显著的免疫原性和良好的安全性在遏制病毒传播和疾病防控方面发挥了不可替代的作用,为人类社会的健康安全作出了巨大贡献。自新型冠状病毒疫情爆发以来,迫切的防控需要进一步推动了包括纳米颗粒疫苗在内的各类新型疫苗技术的发展。然而,由于被相对更经验化的设计方式和更复杂的制备工艺制约,纳米颗粒疫苗临床转化应用的速度并不突出。因此,通过理性设计来提升纳米颗粒疫苗的研制效率和应用范围,正成为其未来发展的重要方向和关键目标。合成生物技术在纳米颗粒疫苗发展的过程中一直起着重要作用。近年来,新型合成生物技术的应用在推动纳米颗粒平台灵活性方面取得了显著进展,有望满足未来对抗原承载多样性的需求。本文首先综述了纳米颗粒疫苗发展的技术沿革与进展,从抗原自组装形成的纳米颗粒疫苗到抗原协助组装的纳米颗粒疫苗,再到抗原平台展示的纳米颗粒疫苗。其次,总结了纳米颗粒疫苗提高抗原淋巴引流效率、抗原增强B细胞信号活化、抗原具有独特的抗原提呈方式等增强抗原免疫原性的特殊作用。最后概括了纳米颗粒疫苗在新型冠状病毒流行中的转化应用,如新型冠状病毒刺突蛋白三聚体疫苗、协助组装的新冠纳米颗粒疫苗、标签偶联展示的新冠纳米颗粒疫苗。随着对免疫应答机理的深入研究和对抗原提呈新规律的发现,利用合成生物技术也将有助于充分发掘纳米颗粒疫苗的独特免疫功能、满足高难度疫苗研制的要求。因此有理由相信:在合成生物技术助力下,未来纳米颗粒疫苗将在新突发及重大传染性疾病的防控中做出更突出的贡献。

合成生物学驱动再生医学创新:从细胞工程到器官修复

随着合成生物学的快速发展,其与再生医学的结合后,为细胞工程和器官修复开辟了新的途径。合成生物学的技术可用于精确修复基因缺陷,将成体细胞重编程为诱导多能干细胞后进行定向分化,可用于患者自身细胞的再生医学治疗。此外,合成生物学还可应用于设计组织工程材料和三维打印人工器官。尽管存在生物安全等方面的挑战,但合成生物学的发展将推动再生医学向精准化方向发展,实现个体化治疗。合成生物学与再生医学的跨学科合作,将有助于各项核心技术得到进一步提升与创新,对再生医学的发展意义重大。

合成生物学改造酵母驱动丁二酸绿色生物制造

丁二酸是一种重要的C_(4)平台化合物,采用微生物以可再生生物质资源为原料制造丁二酸具有显著的优势,是当前国内外的研究热点。合成丁二酸的微生物主要包括细菌和酵母两大类,与细菌相比,虽然酵母的丁二酸生产得率低于细菌,但酵母对酸性等逆境的抗性更强,可以在低pH条件下合成丁二酸,不用添加中和剂,从而使丁二酸的下游纯化过程更简单、成本更低。本文综述了近年来利用酵母类微生物合成丁二酸的研究进展,重点介绍以酿酒酵母、解脂耶氏酵母和东方伊萨酵母为代表的酵母类生产菌株的合成生物学改造策略,在此基础上展望通过构建酵母细胞工厂绿色生物制造丁二酸的未来发展方向。

当代生命科技的身体伦理学反思——以干细胞、脑科学和合成生物学为例

身体,因兼具工具理性和价值理性,成为生命伦理学回应前沿生物技术伦理挑战的新视角、新理论,特别是具有趋前属性的身体伦理学,为伦理学研究提供了未来想象。譬如,生殖干细胞技术,可能引起技术关系取代性别关系,造成社会权力结构变革;大脑类器官可能造成意识数字化,进而生命变得可读、可编码、可篡改,最终引发意识形态革命;合成生物学可能造成人类“神性尊严”消失、“世俗尊严”丧失,最终走向“技术尊严”的道德异化。总之,回应生物技术的道德诘难,生命伦理学必须以技术的想象为边界,而这个边界正建立在身体体验之上。

共济:合成生物学安全伦理治理的原则和策略

合成生物学对生物安全和生物安保构成了新的挑战,由此影响人类共同的生命健康和生命安全。作为科技伦理治理的新原则,共济对于引导合成生物学向善发展、解决合成生物学安全伦理治理问题具有重要的规范性意义。在共济原则下,合成生物学应该优先维护公共利益和帮助脆弱群体,推动各个层次的对话与合作,与各方携手治理潜在的生物安全与生物安保问题,致力于合成生物学的良善、安全与可持续发展,实现为人类造福的目的。