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Synthetic biology: an emerging engineering discipline. ​

文献信息 ​

DOI10.1146/annurev-bioeng-071811-150118
PMID22577777
期刊Annual review of biomedical engineering
影响因子9.6
JCR 分区Q1
发表年份2012
被引次数86
关键词合成生物学, 工程学科, 生物系统, 生物工程, 生物医学工程
文献类型Journal Article, Research Support, N.I.H., Extramural, Research Support, Non-U.S. Gov't, Research Support, U.S. Gov't, Non-P.H.S., Review
ISSN1523-9829
页码155-78
期号14()
作者Allen A Cheng, Timothy K Lu

一句话小结 ​

合成生物学作为一门新兴工程学科，近年来逐渐发展，以应对生物系统工程应用中的独特挑战。本文探讨了合成生物学的进展与挑战，强调开发高通量生物工程核心平台的重要性，并指出其在生物医学工程和人类健康领域的潜在影响。

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合成生物学 · 工程学科 · 生物系统 · 生物工程 · 生物医学工程

摘要 ​

在过去的十年中，合成生物学作为一种工程学科逐渐崭露头角，专注于生物系统的工程应用。与其他基质相比，生物学带来了独特的工程挑战，这些挑战源于对自然生物系统及其操控工具的不完全理解。为了应对这些挑战，合成生物学正在从开发概念验证设计转向重点关注合理且高通量的生物工程核心平台。这些平台涵盖了整个生物设计周期，包括DNA构建、元件库、计算设计工具以及用于操控和探测合成电路的接口。这些赋能技术的发展需要将工程思维应用于生物学，强调可推广的技术，而不仅仅是针对特定应用的设计。本文旨在讨论合成生物学的发展进展和面临的挑战，并阐明合成生物学可能对生物医学工程和人类健康产生影响的领域。

英文摘要 ​

Over the past decade, synthetic biology has emerged as an engineering discipline for biological systems. Compared with other substrates, biology poses a unique set of engineering challenges resulting from an incomplete understanding of natural biological systems and tools for manipulating them. To address these challenges, synthetic biology is advancing from developing proof-of-concept designs to focusing on core platforms for rational and high-throughput biological engineering. These platforms span the entire biological design cycle, including DNA construction, parts libraries, computational design tools, and interfaces for manipulating and probing synthetic circuits. The development of these enabling technologies requires an engineering mindset to be applied to biology, with an emphasis on generalizable techniques in addition to application-specific designs. This review aims to discuss the progress and challenges in synthetic biology and to illustrate areas where synthetic biology may impact biomedical engineering and human health.

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主要研究问题 ​

  1. 在合成生物学中，如何克服对自然生物系统理解不完全带来的工程挑战？
  2. 合成生物学的核心平台有哪些，它们在生物工程中各自扮演什么角色？
  3. 合成生物学如何影响生物医学工程及其对人类健康的潜在贡献？
  4. 目前合成生物学领域面临的主要技术瓶颈是什么，未来的研究方向又将如何发展？
  5. 在合成生物学的应用中，如何确保设计的通用性与特定应用之间的平衡？

核心洞察 ​

1. 研究背景和目的 ​

在过去十年中，合成生物学逐渐发展成为一门针对生物系统的工程学科。与其他材料相比，生物系统因自然生物系统的理解不完全以及操控工具的缺乏，面临独特的工程挑战。研究的目的在于探讨合成生物学的进展与挑战，特别是如何将工程思维应用于生物学，并开发出可广泛应用于生物设计的核心平台，以推动生物工程的高通量发展。

2. 主要方法和发现 ​

在合成生物学的研究中，作者强调了从概念验证设计向核心平台的转变，这些平台涵盖了整个生物设计周期，包括DNA构建、部件库、计算设计工具，以及用于操控和探测合成电路的接口。这些技术的开发需要工程思维的介入，强调通用技术的开发，同时也关注特定应用的设计。研究表明，核心平台的构建不仅提升了设计的效率和可重复性，还促进了生物系统的理性工程化。

3. 核心结论 ​

合成生物学作为一门新兴的工程学科，正逐步解决传统生物工程面临的复杂性和不确定性问题。通过建立通用的设计平台和工具，合成生物学能够实现生物系统的高效操控与优化。这一领域的发展为生物医学工程和人类健康提供了新的可能性和解决方案，尤其是在疾病治疗和生物制剂的开发方面。

4. 研究意义和影响 ​

合成生物学的进展不仅为生物工程带来了新的技术和方法论，还可能深刻影响生物医学领域，提升人类健康的管理和治疗方式。随着核心平台的完善，未来的生物设计将更为高效和精准，能够快速响应医学需求和生物技术的创新。此外，合成生物学的成功将推动跨学科的合作，促进生物学与工程学、计算机科学等领域的融合，为实现可持续发展和解决全球性问题提供新的思路与方案。

引用本文的文献 ​

  1. Maintaining system homeostasis: the third law of Newtonian immunology. - Ronald N Germain - Nature immunology (2012)
  2. Cultural evolutionary tipping points in the storage and transmission of information. - R Alexander Bentley;Michael J O'Brien - Frontiers in psychology (2012)
  3. Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells. - Piro Siuti;John Yazbek;Timothy K Lu - Nature biotechnology (2013)
  4. Synthetic biology: advancing the design of diverse genetic systems. - Yen-Hsiang Wang;Kathy Y Wei;Christina D Smolke - Annual review of chemical and biomolecular engineering (2013)
  5. Synthetic biology of antimicrobial discovery. - Bijan Zakeri;Timothy K Lu - ACS synthetic biology (2013)
  6. Emerging tools for synthetic genome design. - Bo-Rahm Lee;Suhyung Cho;Yoseb Song;Sun Chang Kim;Byung-Kwan Cho - Molecules and cells (2013)
  7. Translational cross talk in gene networks. - William H Mather;Jeff Hasty;Lev S Tsimring;Ruth J Williams - Biophysical journal (2013)
  8. Building a better stop sign: understanding the signals that terminate transcription. - Rachel Anne Mooney;Robert Landick - Nature methods (2013)
  9. Towards a whole-cell modeling approach for synthetic biology. - Oliver Purcell;Bonny Jain;Jonathan R Karr;Markus W Covert;Timothy K Lu - Chaos (Woodbury, N.Y.) (2013)
  10. Tunable and multifunctional eukaryotic transcription factors based on CRISPR/Cas. - Fahim Farzadfard;Samuel D Perli;Timothy K Lu - ACS synthetic biology (2013)

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