今天，各种汉堡丰富了大众日常饮食的选择，大部分人都品尝过不止一种口味的汉堡，牛肉的、鸡肉的，甚至还有牛油果的，可是你尝试过血红素（Heme）味的吗？这种听起来很不可思议的汉堡已经出现在全世界超过 30000 家餐厅和 15000 家杂货铺中[1]。生产这种汉堡的公司利用毕赤酵母生产大豆血红蛋白（soy leghemoglobin），然后将其添加到植物汉堡中，从而提高肉质口感和风味。相比牛肉汉堡，通过这一方法生产的植物性汉堡所占用的土地更少，也能降低碳排放。
这种生产“植物性肉类”的技术，就是合成生物学的一个应用方向。事实上，合成生物学的应用领域，不仅是食品和饮料，还包括能源、化工、医药、环境、农业、国家安全和纳米技术等。近年来，在政府、民间组织对药物研发增资，以及DNA测序和合成成本的降低等因素的影响下，全球合成生物市场呈高速增长态势。2019-2024年，全球合成生物市场将保持28.8%的年均复合增高速增长，据测算，至2025年，全球合成生物市场规模将突破200亿美元[2]。
拥有如此迅猛的市场增长速度，合成生物学究竟是什么？
早在1910年“合成生物学”的概念就被提出，不过直到2000年美国科学家开发了遗传开关，才标志着现代合成生物学的开端。合成生物学的目的在于建立人工生物系统（artificial biosystem），它从最基本的要素开始一步步建立零部件，以期让它们像电路一样运行。2010年，美国科学家创建了世界上首个“人造生命”——原核生物支原体。2017年来自华大基因、天津大学、清华大学的中国科学家团队与参与“人工合成酵母基因组计划（Sc2.0 Project）”完成其中66.7%染色体合成工作，实现人工合成真核生物酿酒酵母的全部16条染色体（长约14Mb），酵母的生命源代码可以达到完全由人工编写[3] 。1年后，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所在国际上首次完成了将单细胞真核生物酿酒酵母天然的16条染色体人工创建为具有完整功能的单条染色体，是继原核细菌“人造生命”之后的又一个重大突破[4]。将天然复杂的生命体系通过人工干预变简约，人为打破自然生命的界限，科学家看到了人工创造全新的自然界不存在的生命的可能。这一切都是合成生物学的力量。
合成生物学突破了生物学以发现描述与定性分析为主的所谓“格物致知”的传统研究范式，为生命科学提供了“建物致知”的崭新研究思想，开启了可定量、可计算、可预测及工程化的研究新时代。“自上而下”地构建“最小基因组”或“自下而上”地合成“人工基因组”，是合成生物学一个最核心的研究内容；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，是其最重要的使能技术之一；而基因组（包括底盘细胞）的构建，是其最重要的工程化平台[5]
作为一家合成生物学企业，擎科生物为客户提供从最基本的DNA合成，到大片段基因合成，再到底盘细胞的改造等一系列高质量产品和服务。科学家们可利用擎科生物提供的原料进行深一步的菌种改造、基因治疗、环境调控、代谢调节、或者生产生物基化学产品等等。通过不断优化使能技术，擎科生物为合成生物学的研究或生产企业的开发保驾护航。
合成生物学使能技术
合成生物学将工程学中的标准化、模块化以及建模策略应用在生物学中，将复杂的生命系统分解，并在不同维度上(如元件、回路、途径等) 进行设计、组装构建并加以测试，以满足人类发展需要。在这一过程中，诞生了许多推动学科发展的使能技术，包括DNA合成技术、DNA测序技术、基因组设计、合成与组装、基因编辑技术、元件工程(包括新蛋白设计)、回路工程、计算与建模等。其中DNA 合成技术、DNA测序技术以及基因编辑技术是目前关注度最高的使能技术。
DNA合成技术是合成生物学最基础的工具，主要分为寡核苷酸合成与基因合成。 寡核苷酸合成一般采用固相亚磷酸胺三酯法，擎科生物自主研发的合成仪就是利用这一原理。其自主研发的CPG控孔玻璃，是基因合成仪中的关键反应装置，具有孔道均一、不易堵塞、溶剂利用效率高、产品参数稳定等优点。后期芯片技术的引入实现了寡核苷酸的高通量合成，但是由于“脱嘌呤”现象与“边缘效应”的影响, 其合成序列的准确性受到了影响。目前还有一种新的合成技术——酶促合成技术，该技术作用条件温和，合成准确性高，副产物少，合成长度更长，是一项有潜力的技术但尚未进入商业化阶段。
相比于DNA合成技术渐进式的发展，DNA测序技术的迭代是具有颠覆性的。目前已有三代DNA测序技术，第一代技术读长较长，但通量低；第二代技术通量高但读长短；第三代技术通量更高，读长也更长，但准确率较低。三种测序应用场景不同，目前擎科生物主要提供Sanger和BTseq测序。随着测序技术自身的不断改进，测序成本大幅下降。举例说明，2003年绘制人类基因组图谱的花费约30亿美元，2019年仅需花费不到1000美元，未来十年甚至更短的时间内，成本可能会降到100美元以下。成本下降使得大规模测序得以推广，同时积累了大量的生物数据，加速了基因组的研究。
基因编辑技术也分为三代，分别为ZFN、TALEN和CRISPR/Cas9。前两代技术采用的是蛋白质-DNA的识别模式，导致切割位点有较高的特异性，无法随心所欲的选择切割位点。第三代CRISPR/Cas9则采用的是RNA-DNA的识别模式，切割位点的选择上更加广泛。此外，第一代基因编辑技术ZFN还存在构建难度大和易于脱靶的问题，第二代基因编辑技术TALEN虽很大程度上避免了脱靶，但操作过程相当繁琐。CRISPR/Cas9技术则具有操作简便，周期短，成本低，调控方式多样化的优点。2020年诺贝尔化学奖就颁给了两位从事CRISPR/Cas9技术研究的科学家，也从侧面反映出该技术的突破性。
根据麦肯锡的数据，原则上全球60%的产品可以采用生物法进行生产。其中1/3是原本就从自然界中提取的物质，而合成生物学改变了他们的生产方式。合成生物学制造化学品本质是利用一系列的生化反应合成目标化学品。与传统的化学合成相比，合成生物学生产化学品原材料具有可再生性、环境友好、安全性高。通过合成生物学设计一个新酶，意味着打通了一条自然界中原本不存在的生化反应，为代谢路径的设计提供了更多选择，也将拓展生物法制造化学品的种类。针对第二个问题，现在的技术会通过定向进化的方式，得到活性更高，耐受性更强的新酶。
尾声
合成生物学是面向未来的行业，是实现可持续发展和碳中和目标的重要基石。虽然目前合成生物学在总生产规模中占比很小，但已经进入快速发展期，未来甚至可能颠覆许多现有行业。
一、在全球维度的碳中和目标下，使用可持续原料替代不可持续原料是大势所趋，理想的结果是在保持材料性能的同时减少原料的碳排放。合成生物学能够实现将生物质这样的复杂原料转化为各种基础化工原料的过程，可以说是化工行业实现双碳目标的终极手段。
二、在许多结构复杂的产品上，合成生物学已经成为主流生产方式。而随着技术持续进步，合成生物学的成本优势在不断向上游渗透，在一些低碳小分子化工品上也开始展露出竞争力，未来有可能颠覆现有的石化生产路线。
三、受益于基因测序、编辑、合成等技术的突破，合成生物学可能已经跨过了行业发展的奇点，后续的发展速度有望远超过去的线性增长，在原料选择、产品广度、生产成本上都可能出现飞跃式的提升[6]。
参考文献
[1]<Synthetic biology 2020–2030: six commercially-available products that are changing our world>Nature Communications volume 11, Article number: 6379 (2020)
[2]《2021年全球合成生物行业市场规模及发展前景预测 传统行业应用前景广阔》前瞻经济学人
[3]《我国科学家参与人工酵母项目在《科学》杂志发表专刊》央广网
[4] 《人造单条染色体真核细胞问世 我国开启合成生物学研究新时代》《中国青年报》 2018-08-03 01版
[5]《合成生物学：开启生命科学“会聚”研究新时代》中国网·中国发展门户网|作者：赵国屏
[6]《合成生物学是什么？未来可能颠覆现有行业》东方证券研究所
