真正的顛覆性技術(shù)具有兩個共性：一是基于堅實的科學原理，它不是神話或幻想，而是對科學原理的創(chuàng)新性應(yīng)用；二是跨學科、跨領(lǐng)域的集成創(chuàng)新，并非設(shè)計、材料、工藝領(lǐng)域的“線性創(chuàng)新”。——徐匡迪，中國工程院院士

曾與諾貝爾獎獲得者屠呦呦一道為世人所熟知的青蒿素，最初是從植物黃花蒿提取而來。但是植物提取存在占用耕地、依賴環(huán)境氣候、提取過程繁瑣等問題。21世紀初，杰·基斯林將青蒿素的基因引入人造酵母——也就是說，只要給酵母喂點淀粉，再用發(fā)酵罐均勻一搖，人工改造的酵母就能像“釀酒”一樣生產(chǎn)出大量的青蒿素。這個意義不可小覷——解決青蒿素的生產(chǎn)原料問題，從某種意義上就是解決了治療瘧疾藥物的生產(chǎn)問題。有統(tǒng)計顯示，杰·基斯林的這種方法使用可控的100立方米工業(yè)發(fā)酵罐，足以替代5萬畝的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植。事實上，合成生物學還被寄于更高的期望。

作為21世紀生物學領(lǐng)域新興的一門學科，合成生物學是分子和細胞生物學、進化系統(tǒng)學、生物化學、信息學、數(shù)學、計算機和工程學等多學科交叉的產(chǎn)物。發(fā)展迄今，已在生物能源、生物材料、醫(yī)療技術(shù)以及探索生命規(guī)律等諸多領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。2014年，美國國防部將其列為21世紀優(yōu)先發(fā)展的六大顛覆性技術(shù)之一；英國商業(yè)創(chuàng)新技能部將合成生物技術(shù)列為未來的八大技術(shù)之一；我國在2014年完成的第三次技術(shù)預(yù)測中，將合成生物技術(shù)列為十大重大突破類技術(shù)之一。我國在“十三五”科技創(chuàng)新戰(zhàn)略規(guī)劃中，已將合成生物技術(shù)列為戰(zhàn)略性前瞻性重點發(fā)展方向。

“建物致知”的合成生物學

諾貝爾物理學獎得主理查德·菲利普·費曼曾說，“我不能創(chuàng)造的東西，我就不理解”。合成生物學正是可以通過構(gòu)造人工生物系統(tǒng)來研究生命科學中的基本問題。它有兩個用途：一是通過人造細胞工廠進行高效生產(chǎn)，“造來用”；二是通過人造生命了解生物基礎(chǔ)法則，“造來懂”。因此有學者稱這項技術(shù)為“建物致知”。

合成生物學的主要研究內(nèi)容分為三個層次：一是利用現(xiàn)有的天然生物模塊構(gòu)建新的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)并表現(xiàn)出新功能；二是采用從頭合成方法人工合成基因組DNA；三是人工創(chuàng)建全新的生物系統(tǒng)乃至生命體。基因測序、基因合成以及基因編輯技術(shù)的加速發(fā)展為合成生物學領(lǐng)域的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)；而計算機、大數(shù)據(jù)、先進制造及自動化等技術(shù)為合成生物學的應(yīng)用插上了騰飛的翅膀。

引領(lǐng)“第三次生物科技革命”的合成生物學

合成生物學是生物科學理論研究的重要突破，使人類能夠以“上帝視角”去了解生物的進化歷程和結(jié)構(gòu)機理。1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)被稱為第一次生物科技革命，它使生命科學研究進入到分子遺傳學和分子生物學時代。2003年人類基因組測序成功標志著第二次生物科技革命的到來，我們因此能夠大規(guī)模地“讀取”遺傳信息，并引領(lǐng)生命科學研究進入組學和系統(tǒng)生物學時代。而合成生物學是在系統(tǒng)生物學的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程學理念，采用基因合成、編輯、網(wǎng)絡(luò)調(diào)控等新技術(shù)，來“書寫”新的生命體，或者改變已有的生命體，這將使人類對生命本質(zhì)的認識獲得質(zhì)的提升，從而引領(lǐng)了第三次生物科技革命。

另一方面，合成生物學又具有生物制造的屬性。生物制造經(jīng)歷了兩次革命。第一次發(fā)生在20世紀50?60年代，通過大規(guī)模發(fā)酵，使抗生素、氨基酸、維生素等藥品、食品和營養(yǎng)品實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，我們今天稱之為傳統(tǒng)生物技術(shù)。第二次發(fā)生在20世紀80年代，分子遺傳學的發(fā)展導致產(chǎn)生了基因操作技術(shù)，通過基因克隆、表達、修飾或轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了各種高附加值的生物制品生產(chǎn)，“一個基因，一個產(chǎn)業(yè)”，發(fā)展成今天的生物技術(shù)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。合成生物學則是利用系統(tǒng)生物學知識，借助工程科學概念，從基因組合成、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號轉(zhuǎn)導路徑，到細胞的人工設(shè)計與合成，完成單基因操作難以實現(xiàn)的任務(wù)，將極大地提升基因生物技術(shù)的能力并拓展其應(yīng)用范圍。因此有理由認為，合成生物學正在催生第三代生物技術(shù)。

或?qū)⒂瓉懋a(chǎn)業(yè)爆發(fā)的合成生物學

????合成生物學概念被廣泛關(guān)注，最早可追溯到2004年在麻省理工學院舉辦的“合成生物學 1.0”大會。那次會議的最大亮點在于，風險投資機構(gòu)對合成生物學的進展感到非常興奮，他們看到了該領(lǐng)域研究對于生物學的重大意義，尤其是在生物能源方面。

在隨后的幾年內(nèi)，有很多合成生物學初創(chuàng)公司相繼成立，融資額也相當巨大。但這并不是一個好的轉(zhuǎn)折點，甚至在某種程度上使合成生物學的發(fā)展遭遇挫折。當時合成生物學在生物能源方面的研究成果并不具有經(jīng)濟效益，在規(guī)模化方面根本無法與傳統(tǒng)化石能源相抗衡。在隨后的五年內(nèi)，這些公司相繼倒閉，那也是合成生物學商業(yè)化進程中失去的五年。

近年來，伴隨CRISPR等基因組編輯技術(shù)的不斷革新，以及同樣快速發(fā)展的大數(shù)據(jù)、人工智能和機器人技術(shù)等，合成生物學的前景變得越來越明確，合成生物學的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迎來一個爆發(fā)期，具有以下幾方面新的表現(xiàn)：

第一，涉及領(lǐng)域越來越廣。從生物能源擴展到生物基材料、微生物機器人、食品、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)藥、疾病治療、稀有資源量產(chǎn)、環(huán)境修復以及生物工程技術(shù)平臺的開發(fā)等諸多領(lǐng)域。

例如日本科學家將放線菌的基因轉(zhuǎn)移到大腸桿菌，通過設(shè)計新的代謝途徑，生產(chǎn)出可耐400攝氏度高溫的生物塑料。整個生產(chǎn)過程節(jié)約能源并減少了二氧化碳的排放。作為產(chǎn)品的生物塑料可自然降解，有利于保護環(huán)境。

美國最大的合成生物學創(chuàng)業(yè)公司Ginkgo Bioworks，通過將玫瑰的基因整合到酵母的基因組上，實現(xiàn)了利用酵母大量生產(chǎn)價格昂貴的玫瑰精油。該公司已與法國知名香水企業(yè)建立了合作關(guān)系，市場前景值得期待。

（合成生物學企業(yè)融資，數(shù)據(jù)來源：synbiobeta）

第二，初創(chuàng)企業(yè)大幅增加，融資額不斷增長。據(jù)美國SynBioBeta數(shù)據(jù)顯示，全球合成生物公司今年第一季度共獲投資6.5億美元，規(guī)模達去年同期的2倍；第二季度投資額達9.25億美元，較去年同期增長4倍，并且此時期獲資助公司多位于美國硅谷和美國東北部。全球合成生物產(chǎn)業(yè)2018年募資額有望達到30億美元。此外，英國合成生物學國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化中心（SynbiCITE）于7月12日發(fā)布的《2017年英國合成生物學初創(chuàng)調(diào)查》顯示，英國在2000-2016期間共成立146家合成生物企業(yè)，在此期間公司數(shù)量每5年翻一番；在2010-2014的五年期間，企業(yè)共獲得2.2億英鎊投資，是此前5年的5.5倍；企業(yè)在2015-2017期間獲得投資進一步增加，僅3年就募集超過4億英鎊投資。

（全球合成生物學融資歷史（2012-2016），數(shù)據(jù)來源：CB Insights）

第三，越來越多的頂級科學家投身創(chuàng)業(yè)大潮，科研成果的產(chǎn)業(yè)化進程提速。合成生物學公司Synlogic由麻省理工學院生物工程學教授、合成生物學先驅(qū)詹姆斯·柯林斯創(chuàng)辦，并于2017年8月在納斯達克上市；Ginkgo Bioworks公司由麻省理工學院計算機科學和合成生物學先驅(qū)湯姆·奈特參與創(chuàng)辦，目前已獲4.29億美元融資，估值超過10億美元；Synthetic Genomics公司由美國合成生物學先驅(qū)克萊格·文特爾（曾公然挑戰(zhàn) “國際人類基因組計劃”而聞名）及諾貝爾獎獲得者漢密爾頓·史密斯創(chuàng)辦；enEvolv由哈佛醫(yī)學院基因組研究中心主任喬治·丘奇創(chuàng)辦等。

學科交叉、融合創(chuàng)新的合成生物學

在中科院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學工程研究中心有這樣一支隊伍，從學科來看，團隊中的12位課題組組長（PI），有研究微生物學的，有研究合成基因組學的，也有研究理論物理方向的，甚至有專攻微流控芯片的。這樣一個成立不足4年、平均年齡僅36歲的“雜牌軍”，卻在合成生物學領(lǐng)域取得了不俗的研究成果，至今已發(fā)表數(shù)篇《科學》論文，并吸引力了美國科學院院士、合成生物學領(lǐng)軍人物杰·基斯林來此建立聯(lián)合實驗室。

作為一個新興的交叉學科，傳統(tǒng)的生物學研究方法已經(jīng)滿足不了合成生物學的發(fā)展要求。計算機科學、工程學、理論物理學、數(shù)學等學科與生物學的深度交叉融合，才能碰觸出顛覆性的成果。告別“單打獨斗”的科研模式，真正打破科學家之間的“藩籬”和“圍墻”，或許是合成生物學給這個時代帶來的另一個顛覆。