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本报告由 MaltSci•麦伴科研 基于最新文献和研究成果撰写

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合成生物学是如何运作的？

摘要

合成生物学是一门新兴的交叉学科，结合了生物学、工程学、计算机科学和化学等多个领域，旨在设计和构建新的生物系统或重新设计现有的生物系统，以实现特定的功能。近年来，随着基因组学和合成技术的快速发展，合成生物学不仅为基础科学研究提供了新的工具，也为医学、农业、能源等多个应用领域带来了革命性的变化。本报告围绕合成生物学的基本原理、关键技术、应用实例及其未来发展方向进行了深入探讨。首先，介绍了合成生物学的基本原理，包括生物系统的设计原则和基因组编辑技术，帮助读者理解其科学基础。接着，分析了合成生物学的关键技术，重点讨论了DNA合成与组装以及生物回路设计与合成，这些技术是实现合成生物学目标的核心工具。随后，通过医疗应用、农业改良和可再生能源等实例，展示了合成生物学在实际应用中的潜力和价值。最后，探讨了合成生物学面临的伦理与安全问题，以及其未来发展方向，包括技术创新与突破和产业化前景。合成生物学的研究不仅能够帮助我们理解生命的基本机制，还能够在医疗、环境保护和农业等多个领域产生重要影响，推动人类社会的可持续发展。

大纲

本报告将涉及如下问题的讨论。

• 1 引言
• 2 合成生物学的基本原理
  • 2.1 生物系统的设计原则
  • 2.2 基因组编辑技术
• 3 合成生物学的关键技术
  • 3.1 DNA合成与组装
  • 3.2 生物回路设计与合成
• 4 合成生物学的应用实例
  • 4.1 医疗应用
  • 4.2 农业改良
  • 4.3 可再生能源
• 5 合成生物学的伦理与安全问题
  • 5.1 伦理争议
  • 5.2 生物安全措施
• 6 合成生物学的未来发展方向
  • 6.1 技术创新与突破
  • 6.2 产业化前景
• 7 总结

1 引言

合成生物学是一门新兴的交叉学科，结合了生物学、工程学、计算机科学和化学等多个领域，旨在设计和构建新的生物系统或重新设计现有的生物系统，以实现特定的功能。近年来，随着基因组学和合成技术的快速发展，合成生物学不仅为基础科学研究提供了新的工具，也为医学、农业、能源等多个应用领域带来了革命性的变化。这一领域的迅猛发展促使科学家们探索如何利用工程学的原理和方法来理解和操控生命现象，从而为人类社会的可持续发展提供新的解决方案[1]。

合成生物学的研究意义深远。它不仅能够帮助我们理解生命的基本机制，还能够在医疗、环境保护和农业等多个领域产生重要影响。例如，通过合成生物学，科学家们可以设计新的微生物用于生物燃料的生产，或开发出能够检测和治疗疾病的智能药物[2]。然而，合成生物学的快速发展也引发了伦理和安全方面的担忧，如对生物安全性和生态平衡的潜在影响，这些问题需要在技术进步的同时予以重视[3]。

目前，合成生物学的研究现状已取得了一系列显著进展。研究者们已经成功地应用基因组编辑技术，如CRISPR-Cas9，来精确修改生物体的基因组，进而实现对生物体功能的重新设计[4]。此外，合成生物学的基本原理和关键技术也逐渐成熟，包括生物系统的设计原则、DNA合成与组装、生物回路设计等，这些都为合成生物学的应用奠定了坚实的基础[5][6]。

本报告将围绕合成生物学的基本原理、关键技术、应用实例及其未来发展方向进行深入探讨。首先，将介绍合成生物学的基本原理，包括生物系统的设计原则和基因组编辑技术，以帮助读者理解其科学基础。接着，将分析合成生物学的关键技术，重点讨论DNA合成与组装以及生物回路设计与合成，这些技术是实现合成生物学目标的核心工具。随后，将通过医疗应用、农业改良和可再生能源等实例，展示合成生物学在实际应用中的潜力和价值。最后，将探讨合成生物学面临的伦理与安全问题，以及其未来发展方向，包括技术创新与突破和产业化前景。通过这些内容的系统梳理，本报告旨在为读者提供一个全面的合成生物学概述，帮助他们更好地理解这一前沿领域的工作机制及其潜在影响。

2 合成生物学的基本原理

2.1 生物系统的设计原则

合成生物学的基本原理涉及将生物学与工程学相结合，通过系统化和分层的设计方法来创建新的生物系统。合成生物学的目标是理解和应用生物设计原则，以便合理地构建和工程化生物系统，从而实现多种应用，包括改善医疗、能源生产和环境保护等。

在合成生物学中，设计原则主要包括标准化、模块化和抽象化。这些原则使得生物部件的构建和组合变得更加高效。例如，生物部件（bioparts）是通过脱氧核糖核酸（DNA）编码的功能模块，设计师可以将这些模块组合成设备，并进一步构建成复杂的生物系统[7]。模块化的设计允许科学家们将复杂的生物系统分解为较小的、独立的子系统，这些子系统可以在不同的应用中被重新利用[8]。

合成生物学的设计周期通常遵循“设计-构建-测试-学习”（Design-Build-Test-Learn）的方法。每个阶段都需要使用计算机进行建模、分析和实验的自动化[7]。这一过程强调了设计的迭代性，合成生物学家能够在不同的实验中快速优化设计，缩短从设计到测试的时间[9]。

此外，合成生物学还利用计算机科学和工程学的工具，创建可互操作的生物部件和技术，以支持复杂的生物网络构建。这些工具的开发旨在提高设计的可靠性和可预测性，使得合成生物学的应用更加广泛和高效[10]。通过这样的设计方法，科学家们能够创建具有特定功能的生物系统，这些系统可以在医学、农业和生物能源等领域发挥重要作用[11]。

合成生物学的成功在于能够利用自然界的多样性，通过标准化的生物部件构建出新的生物系统，这些系统不仅可以用于基础研究，还能在实际应用中解决现实问题，例如开发新的药物、清理环境污染等[12]。因此，合成生物学的设计原则不仅为生物工程提供了强大的工具，也推动了生物学研究的进展。

2.2 基因组编辑技术

合成生物学是一门结合生物学与工程学原理的学科，旨在设计和构建新的生物部件、设备和系统，以实现新的功能或创造不在自然界中存在的生命形式。其基本原理涉及多个方面，特别是基因组编辑技术的应用。

首先，合成生物学的核心在于应用工程学原理来重新设计生物系统。合成生物学的目标之一是生成新的化学物质、改善人类健康以及应对环境问题。在此过程中，设计遵循规范、将设计与制造分离、使用标准化的生物部件和生物体等原则被广泛应用。这些原则在过去十年中被证明是有效的，尤其是在构建基于微生物转录和代谢的复杂系统方面[1]。

基因组编辑技术是合成生物学中的一项关键工具。通过基因组编辑，科学家可以对生物体的DNA进行精确的修改，从而赋予其新的特性或功能。这种技术的进步使得研究人员能够在基因组范围内进行工程化操作，构建包含仅有基本生存基因的最小基因组。这些最小基因组不仅帮助科学家理解生命的普遍原则，还可以用于构建具有特定表型的“细胞工厂”[11]。

此外，合成生物学的另一个重要方面是建立低级编程语言，以简化DNA中新指令的编码过程。这种方法与实验室中多DNA分子高效组装的进展相结合，使得多基因构建的设计和组装变得更加简单[13]。通过这种方式，科学家可以在实验室中组装来自不同实验室和实验的DNA部件，从而推动基因组编辑技术在植物系统中的应用[14]。

在实际应用中，合成生物学的工程化方法使得生物系统的设计与构建变得更加可预测和可控。这种方法不仅限于微生物，还扩展到植物和哺乳动物细胞的工程化，推动了生物医学和生物技术的进步[2]。合成生物学的前景在于能够创造出具备特定功能的设计细胞，这些细胞可以在生物医学和生物技术领域中发挥重要作用[6]。

综上所述，合成生物学通过结合工程原理与基因组编辑技术，推动了生物系统的设计与构建，使得科学家能够以更高的精度和效率进行生物体的改造与创新。这一领域的持续发展将为未来的生物技术应用开辟新的可能性。

3 合成生物学的关键技术

3.1 DNA合成与组装

合成生物学是一个跨学科的领域，旨在通过应用工程原理来设计和修改生物系统，并构建生物部件和设备。在这一领域中，DNA的合成与组装被视为关键技术。合成生物学的核心在于能够通过提供新的DNA指令来编程细胞，这一技术的基础在于大规模的DNA合成和组装能力的提升。

DNA合成与组装的过程主要包括两个基本步骤：长寡核苷酸的合成和多个DNA片段的无缝组装。随着自动化液体处理工作站和集成实验设备的出现，合成生物学领域中的许多重复性任务现在可以通过集成的液体处理工作站高效完成，从而减少了人工操作的需求，提高了整体效率[15]。

在合成生物学中，DNA的组装通常可以在体内（如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和酿酒酵母等宿主细胞中）进行，通过同源重组的方式将高分子量的DNA分子组装起来。近年来，DNA组装的进展使得构建整个基因组成为可能，这对于合成细胞、合成酵母和最小基因组的组装尤为重要[16]。

此外，合成生物学的技术还包括多种方法，例如分子组装和克隆方法、模板独立的酶合成、微阵列技术和滚环扩增技术等。这些技术的开发旨在解决合成超过200 bp序列的高成本问题，以便能够以低成本大规模提供合成DNA，从而推动生物工程、治疗、数据存储和纳米技术等多个领域的快速发展[17]。

合成生物学的成功依赖于对DNA合成和组装技术的不断创新和完善。这些技术不仅使得合成大分子DNA的定制化变得更加常规化，也使得科学家能够更有效地设计、构建和测试新的生物系统，进而推动生物学研究的深入和新药物、绿色燃料、可生物降解塑料及靶向癌症疗法等的开发[18]。

总体而言，合成生物学通过结合生物学、工程学和计算机科学的原理，为研究和商业应用提供了强大的工具，推动了生物技术的进步，并在环境、能源和健康等领域中展现出广阔的应用前景[19][20]。

3.2 生物回路设计与合成

合成生物学是一个跨学科的领域，旨在通过工程原理设计和构建新的生物系统，以实现特定功能。其关键技术之一是生物回路的设计与合成，这些生物回路可以调控细胞内的基因表达和代谢过程。

在合成生物学中，研究人员通过标准化和理性工程化基本生物元件，设计合成基因电路。这些电路能够执行操作、检测信号并调节细胞功能。例如，合成的基因电路可以是闭环电路或布尔逻辑门电路，这些电路被编程为在特定的时空条件下响应外部环境和细胞内信号，从而恢复体内的稳态[21]。

近年来，合成生物学的进展使得基因电路的设计变得更加复杂，涵盖了转录、转录后、翻译及翻译后调控等多个层面。通过这些技术，研究人员能够在哺乳动物细胞中构建复杂的调控电路，推动合成生物学向临床应用迈进。当前，合成基因电路不仅用于基础研究，还在肿瘤诊断、细胞治疗和药物递送等领域展现出巨大的应用潜力[22]。

合成生物学的成功实施依赖于对生物元件的深刻理解和精确的工程设计。为了应对基因电路设计中面临的挑战，机器学习正逐渐成为一种重要工具，帮助研究人员在电路组件和整体电路层面上优化设计。这种方法结合了数据驱动模型与基于机制的模型的优点，旨在提升合成基因电路的工程能力[23]。

此外，合成生物学的研究还涉及生物电路的生物医学应用，尤其是在开发针对复杂疾病的治疗策略方面。通过构建能够响应内源性信号的合成电路，研究人员可以创造出新的诊断工具和治疗方法，这些方法在提高药物递送的准确性和效率方面具有显著优势[24]。

总的来说，合成生物学通过设计和合成生物回路，不仅推动了基础生物学的研究进展，还为临床医学和生物技术的创新应用提供了新的思路和解决方案。

4 合成生物学的应用实例

4.1 医疗应用

合成生物学是一门新兴的跨学科领域，致力于通过工程化的方式设计和构建具有新功能的生物系统。这一领域在医疗应用方面的潜力日益显现，涵盖了从疾病诊断到治疗的多个方面。

合成生物学的医疗应用主要包括以下几个方面：

1. 疫苗开发：合成生物学为疫苗的设计和生产提供了新的思路和方法。例如，通过工程化微生物系统，研究人员能够快速生产针对特定病原体的疫苗。这种方法不仅提高了疫苗的生产效率，还可能改善其安全性和有效性[25]。

2. 细胞治疗：合成生物学在细胞治疗中展现出巨大的应用潜力，尤其是在改造T细胞（如嵌合抗原受体T细胞，CAR-T细胞）以治疗癌症方面。通过合成生物学的技术，研究人员能够设计新的CAR-T细胞，以增强其在肿瘤微环境中的靶向能力和生存能力，从而提高治疗效果[26]。

3. 疾病机制研究：合成生物学的工具和方法使得科学家能够更深入地研究疾病的生物学机制。通过构建合成基因电路，研究人员可以模拟和分析细胞对不同刺激的反应，从而揭示疾病的发展过程[27]。

4. 药物发现与生产：合成生物学为药物发现提供了新的平台，尤其是在微生物中进行药物的合成和筛选方面。通过对微生物基因组的工程化改造，研究人员能够合成传统方法难以获得的天然产物，从而拓宽药物的化学空间[28]。

5. 诊断工具：合成生物学也在分子诊断工具的开发中发挥着重要作用。通过设计能够特异性识别疾病标志物的合成生物传感器，研究人员可以实现早期诊断和实时监测，这对于许多疾病的管理和治疗至关重要[29]。

总之，合成生物学在医疗领域的应用正在快速发展，涵盖了从基础研究到临床应用的广泛领域。这些应用不仅展示了合成生物学的创新潜力，也为解决当前医学面临的重大挑战提供了新的解决方案。

4.2 农业改良

合成生物学在农业改良中的应用主要体现在通过工程化的手段改造植物以提高其特性和生产力。具体来说，合成生物学利用先进的基因工具、计算建模和系统生物学，精确修改植物基因组，从而增强作物的产量、抗逆性和营养利用效率等性状。这种能力使得研究人员能够设计出针对不同环境条件和农业需求的特定特征的植物，具有很大的潜力来应对全球食品安全挑战[30]。

在农业领域，合成生物学的具体应用包括但不限于以下几个方面：

1. 光合效率的提高：通过工程化光合作用路径，合成生物学可以优化作物的光能利用效率，进而提高作物的产量。这种方法不仅有助于满足21世纪对食品生产的需求，还可以有效利用太阳能和碳源[31]。

2. 氮固定能力的增强：合成生物学的研究还涉及到对植物氮固定能力的改造，这将有助于减少化肥的使用，降低农业对环境的影响，同时提高作物的营养价值[32]。

3. 耐旱性和病原抵抗性：通过基因工程手段，研究人员能够增强植物对干旱和病原体的抵抗力。这一领域的研究正在为应对气候变化带来的挑战提供新的解决方案[33]。

4. 营养强化：合成生物学还可以通过生物强化技术，提高作物的营养成分，如维生素和矿物质含量，以应对全球营养不良的问题[34]。

5. 微生物工程：通过工程化植物相关微生物，合成生物学能够改善植物生长促进微生物的作用，从而增强植物的健康和产量[35]。

此外，合成生物学的应用还面临一些挑战，如公众接受度和监管审批等问题，但其在创造更具韧性和可持续的农业系统方面的潜力是巨大的。未来，合成生物学与人工智能的结合也将为作物改良提供新的机遇，推动农业向更加高效和可持续的方向发展[36]。

4.3 可再生能源

合成生物学是一种新兴的科学领域，主要涉及通过设计、合成和组装生物系统来创造具有新功能的生物体。它利用计算生物学、分子生物学、蛋白质工程和系统生物学等多个学科的进展，来操控细胞表型。这一领域的基础是公共数据库中大量的基因序列数据，以及我们快速且经济地合成足够长度的DNA片段的能力，这些片段可以编码完整的基因、酶、代谢通路，甚至整个基因组[37]。

在可再生能源的应用方面，合成生物学展示了巨大的潜力。通过对微生物的代谢工程，合成生物学能够将可再生资源转化为化学品和燃料，从而减少对化石燃料的依赖。合成生物学的方法已经应用于开发能够高效生产生物燃料的微生物系统，利用这些系统可以从植物和其他可再生资源中提取能量[20]。

例如，合成生物学可以通过构建新的代谢通路，使微生物能够将糖类、脂肪或其他生物质转化为生物燃料。这些新兴的微生物工厂不仅可以生产生物柴油，还可以生成其他可再生化学品，如乙醇和丙醇等[38]。此外，合成生物学还可以设计出新型的酶，以提高生物燃料的生产效率，进一步推动可再生能源的可持续发展[39]。

合成生物学在可再生能源领域的另一个重要应用是通过工程化微生物来进行生物电力的生成。这种方法利用微生物在代谢过程中释放电子，从而在特定的电极上产生电流，这为未来的清洁能源技术提供了新的方向[36]。此外，合成生物学的技术还可以用于开发新型的生物质材料，这些材料在建筑和其他工业应用中具有潜在的可持续性[40]。

综上所述，合成生物学通过创新的技术手段，正在为可再生能源的生产和应用提供新的解决方案，其广泛的应用前景将有助于应对全球能源危机和环境保护的挑战。

5 合成生物学的伦理与安全问题

5.1 伦理争议

合成生物学是一个涉及生物学与工程学相结合的广泛领域，旨在设计和构建生物系统，既可以通过增强现有细胞的功能，也可以通过组合自然与合成成分来创造新的结构。这一领域的快速发展不仅带来了诸多潜在的益处，同时也引发了一系列伦理和安全问题。

在伦理方面，合成生物学的应用面临着多重挑战。研究表明，科学家们在实际操作中遇到的伦理问题包括就业的不稳定性、来自工业的压力、性别不平等以及合成生物学的过度宣传所带来的负面影响[41]。这些问题在伦理文献中的讨论往往较为抽象，而实际操作中所面临的挑战却显得更为具体和紧迫。

合成生物学的安全风险主要集中在参与者的安全、生物安全风险和生物安全保障方面[42]。在这些风险中，如何确保实验的参与者和环境的安全是一个亟待解决的问题。为此，文章提出了一些基本原则，包括以人为本、不伤害、可持续性以及合理的风险控制。这些原则为制定合成生物学的伦理治理提供了指导，建议包括加强伦理审查、促进相关政策的发展与实施、通过顶层设计改善法律保障以及增强生物隔离的技术能力[42]。

合成生物学的伦理争议还涉及对合成生物学产品的道德地位的探讨、合成生物学与生命意义的关系、以及与知识相关的期望与担忧等主题[3]。例如，关于“人造生命”的创造是否道德，以及这种创造可能带来的后果，都是当前讨论的热点问题。部分学者指出，合成生物学可能导致的伦理和社会问题不仅仅是对生命的干预，还涉及到对科学知识的误用，如生物恐怖主义或生物战争的风险[43]。

因此，合成生物学的研究不仅需要科学技术的进步，更需要在伦理和社会层面进行深入的反思与探讨。科学家们呼吁在科学研究的核心中融入伦理考量，而不是将其视为外部的程序性要求，这样才能更有效地应对合成生物学带来的复杂挑战[44]。通过建立一个系统的伦理评估框架，可以帮助研究人员在科研过程中不断反思和调整，以确保合成生物学的发展能够在安全和伦理的双重保障下进行。

5.2 生物安全措施

合成生物学是一种设计和创造生物工具及系统以实现有用目的的技术，结合了生物学的知识，如生物技术、分子生物学、生物物理学、生物化学和生物信息学，以及其他学科如工程学、数学、计算机科学和电气工程。合成生物学的范围从修改现有生物体以获得新特性到从非生物成分创建活生物体[3]。

在合成生物学的应用中，生物安全措施显得尤为重要。合成生物学的发展和应用引发了对生物安全性、生物安全和生物安全性的担忧，可能会对公共健康和环境造成未知的危害。这些担忧促使一些国家在生物安全方面制定了法律和法规，以控制合成生物学技术在基础和应用研究中的应用[45]。例如，近年来合成生物学的迅速发展使得对生物风险的关注加剧，尤其是在COVID-19疫情背景下，关于合成生物学的潜在力量和不确定性引发了更多讨论[45]。

为有效应对合成生物学的安全风险，文章提出了一些基本原则，包括以人为本、不伤害、可持续性和合理风险控制[42]。这些原则为制定合成生物学的伦理治理提供了框架。具体建议包括加强伦理审查，推动相关政策的制定和实施，通过顶层设计改善法律保障，并提升生物安全技术能力[42]。

此外，合成生物学的伦理问题也需重视。研究表明，合成生物学不仅涉及生物安全和生物安全性，还包括与生命的本质、社会正义及其对环境的影响等更广泛的伦理考量。伦理审查的范围应涵盖合成生物学在实践中面临的各种伦理挑战，包括行业压力、性别不平等以及对合成生物学的过度宣传等问题[41]。这些伦理问题的研究不仅应当关注潜在的风险和收益，还需考虑科学家在日常工作中所面临的实际挑战[41]。

综上所述，合成生物学的生物安全措施与伦理问题密切相关，必须在技术发展的各个阶段加强治理和审查，以确保其安全、负责任的应用。

6 合成生物学的未来发展方向

6.1 技术创新与突破

合成生物学是一个快速发展的领域，它通过应用工程原理和计算方法，重新设计生物系统，以实现生成新化学物质、改善人类健康以及应对环境问题等目标。合成生物学的核心在于将生物学与工程学相结合，通过设计、构建和操作新的生物系统，来创造具有特定功能的生物设备和有机体[1]。

在合成生物学的未来发展方向上，技术创新与突破将是推动该领域进步的关键因素。首先，基因组的合成与组装、DNA存储、基因编辑、分子进化和功能蛋白的设计等技术正在快速发展。这些技术的进步为合成生物学提供了强大的支持，使得生物系统的构建更加精确和可预测[6]。例如，合成生物学正在探索定量合成生物学的概念，以提高设计的准确性和可靠性，从而推动合成生物学向更高的科学性和应用性迈进。

其次，合成生物学还在推动细胞和基因电路工程的发展，尤其是在无细胞合成生物学和人工智能辅助合成生物学方面的应用，这些创新将为生物技术的未来奠定基础。通过构建复杂的基因电路，合成生物学可以重新编程哺乳动物细胞的代谢活动，提供新的治疗策略，特别是在基因和细胞治疗领域[46]。

此外，合成生物学还面临着许多挑战，如缺乏可互操作的部件、动态探测生物系统的技术以及构建和操作复杂网络的框架等问题。随着这些挑战的逐步解决，合成生物学家将能够构建出具有实际应用价值的下一代合成基因网络，这些网络在医学、生物技术、生物修复和生物能源等领域具有广泛的应用潜力[10]。

合成生物学的未来还将继续探索生物系统的最小化设计和人工生物实体的合成，这一过程将为合成生物学提供新的研究视角和方法论，推动我们对生命基本原理的理解[47]。通过整合多学科的知识，合成生物学将有望在生物医药、农业、环境保护等多个领域带来革命性的突破和应用[3]。

6.2 产业化前景

合成生物学是一个快速发展的跨学科研究领域，主要基于分子生物学的基础进展与工程设计的结合。该领域将生命系统视为在基因水平上可编程的系统，并通过新平台技术的发展，推动了合成生物学产业的迅速增长。自2015年以来，合成生物学初创公司已获得约61亿美元的投资，预计到2026年，全球合成生物学市场的价值将达到140亿美元[48]。

合成生物学的进展得益于DNA测序和合成成本的显著降低，以及基因组编辑工具（如CRISPR/Cas9）的发展。这些技术的进步使得合成生物学能够在微生物的代谢工程、医药产品的开发等方面取得重要应用。合成生物学的应用范围广泛，涵盖了从人类健康到可再生能源、工业化学和酶的多个领域[20]。

随着技术的不断进步，合成生物学正在推动生物系统的设计与工程，使其能够满足现代社会的需求。在过去的二十年中，科学家们利用工程化的生物系统生产了多种产品，从生物塑料到药物的合成，甚至构建了具有完全合成基因组的最小细菌。尤其是在2020年COVID-19大流行期间，合成生物学社区成为开发有效诊断方法和疫苗的重要力量[49]。

合成生物学的未来发展方向主要集中在以下几个方面：

1. 商业化与产业化：合成生物学的初创公司和中小企业在商业化过程中扮演了重要角色，促进了对健康和全球可持续性问题的快速响应。随着私人投资的快速增长，合成生物学初创公司在美国和英国的投资总额已超过120亿美元。尽管健康相关的生物技术应用目前占主导地位，但在生物衍生材料和化学品的生产方面也正在开发显著的机会[50]。

2. 新技术的应用：合成生物学正在开发新的工具和服务，这些工具和服务能够在药物发现和生产中发挥重要作用。通过代谢工程、细胞命运重编程、基因组编辑等方法，合成生物学有望重塑药物开发和生产的方式[51]。

3. 社会需求的响应：合成生物学不仅关注科学研究，还注重满足社会需求，特别是在健康、环境和可再生能源等领域。通过整合人工智能等新兴技术，合成生物学将能够更有效地应对现代社会面临的挑战[36]。

4. 安全性与伦理问题：随着合成生物学技术的不断发展，相关的安全性和伦理问题也引起了广泛关注。科学家们在推动技术进步的同时，需确保公众安全和环境保护，以避免潜在的负面影响[52]。

综上所述，合成生物学在未来的发展中将继续推动技术的创新与应用，同时应对社会需求与伦理挑战，为各个领域的可持续发展做出贡献。

7 总结

合成生物学作为一门新兴的交叉学科，已经在多个领域取得了显著的研究进展。首先，通过标准化、模块化和抽象化的设计原则，科学家们能够有效构建和工程化生物系统，从而在医疗、农业和可再生能源等领域实现具体应用。其次，基因组编辑技术的进步，特别是CRISPR-Cas9等工具的广泛应用，使得对生物体的精确改造成为可能，推动了合成生物学的发展。此外，合成生物学的关键技术，如DNA合成与组装、生物回路设计等，正不断成熟，为实际应用提供了强大的支持。未来，合成生物学将继续探索技术创新与突破，推动产业化进程，解决人类面临的重大挑战，如疾病治疗、食品安全和环境保护等。然而，合成生物学的快速发展也带来了伦理和安全问题，亟需建立完善的治理框架，以确保技术的安全、可控和负责任的应用。总体而言，合成生物学在科学研究和实际应用中展现出巨大的潜力，为人类的可持续发展提供了新的解决方案。

参考文献

• [1] Jeffrey C Way;James J Collins;Jay D Keasling;Pamela A Silver. Integrating biological redesign: where synthetic biology came from and where it needs to go.. Cell(IF=42.5). 2014. PMID:24679533. DOI: .
• [2] Simon Ausländer;David Ausländer;Martin Fussenegger. Synthetic Biology-The Synthesis of Biology.. Angewandte Chemie (International ed. in English)(IF=16.9). 2017. PMID:27943572. DOI: 10.1002/anie.201609229.
• [3] Ayşe Kurtoğlu;Abdullah Yıldız;Berna Arda. The view of synthetic biology in the field of ethics: a thematic systematic review.. Frontiers in bioengineering and biotechnology(IF=4.8). 2024. PMID:38863492. DOI: 10.3389/fbioe.2024.1397796.
• [4] Bryan A Bartley;Kyung Kim;J Kyle Medley;Herbert M Sauro. Synthetic Biology: Engineering Living Systems from Biophysical Principles.. Biophysical journal(IF=3.1). 2017. PMID:28355534. DOI: 10.1016/j.bpj.2017.02.013.
• [5] Hong Zhang;Taijiao Jiang. Synthetic circuits, devices and modules.. Protein & cell(IF=12.8). 2010. PMID:21153514. DOI: 10.1007/s13238-010-0133-8.
• [6] Xian-En Zhang;Chenli Liu;Junbiao Dai;Yingjin Yuan;Caixia Gao;Yan Feng;Bian Wu;Ping Wei;Chun You;Xiaowo Wang;Tong Si. Enabling technology and core theory of synthetic biology.. Science China. Life sciences(IF=9.5). 2023. PMID:36753021. DOI: 10.1007/s11427-022-2214-2.
• [7] Kathryn L Garner. Principles of synthetic biology.. Essays in biochemistry(IF=5.7). 2021. PMID:34693448. DOI: 10.1042/EBC20200059.
• [8] Manuel Porcar;Amparo Latorre;Andrés Moya. What Symbionts Teach us about Modularity.. Frontiers in bioengineering and biotechnology(IF=4.8). 2013. PMID:25023877. DOI: 10.3389/fbioe.2013.00014.
• [9] Christina M Agapakis. Designing synthetic biology.. ACS synthetic biology(IF=3.9). 2014. PMID:24156739. DOI: 10.1021/sb4001068.
• [10] Timothy K Lu;Ahmad S Khalil;James J Collins. Next-generation synthetic gene networks.. Nature biotechnology(IF=41.7). 2009. PMID:20010597. DOI: 10.1038/nbt.1591.
• [11] Mario Juhas. On the road to synthetic life: the minimal cell and genome-scale engineering.. Critical reviews in biotechnology(IF=7.7). 2016. PMID:25578717. DOI: 10.3109/07388551.2014.989423.
• [12] Jürgen Pleiss. The promise of synthetic biology.. Applied microbiology and biotechnology(IF=4.3). 2006. PMID:17269152. DOI: 10.1007/s00253-006-0664-3.
• [13] Marta Vazquez-Vilar;Diego Orzaez;Nicola Patron. DNA assembly standards: Setting the low-level programming code for plant biotechnology.. Plant science : an international journal of experimental plant biology(IF=4.1). 2018. PMID:29907307. DOI: 10.1016/j.plantsci.2018.02.024.
• [14] Nicola J Patron. Blueprints for green biotech: development and application of standards for plant synthetic biology.. Biochemical Society transactions(IF=4.3). 2016. PMID:27284031. DOI: 10.1042/BST20160044.
• [15] Yuxin Ma;Zhaoyang Zhang;Bin Jia;Yingjin Yuan. Automated high-throughput DNA synthesis and assembly.. Heliyon(IF=3.6). 2024. PMID:38500977. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e26967.
• [16] Mario Juhas;James W Ajioka. High molecular weight DNA assembly in vivo for synthetic biology applications.. Critical reviews in biotechnology(IF=7.7). 2017. PMID:26863154. DOI: 10.3109/07388551.2016.1141394.
• [17] Alex Hoose;Richard Vellacott;Marko Storch;Paul S Freemont;Maxim G Ryadnov. DNA synthesis technologies to close the gene writing gap.. Nature reviews. Chemistry(IF=51.7). 2023. PMID:36714378. DOI: 10.1038/s41570-022-00456-9.
• [18] Randall A Hughes;Andrew D Ellington. Synthetic DNA Synthesis and Assembly: Putting the Synthetic in Synthetic Biology.. Cold Spring Harbor perspectives in biology(IF=8.4). 2017. PMID:28049645. DOI: 10.1101/cshperspect.a023812.
• [19] Jing Liang;Yunzi Luo;Huimin Zhao. Synthetic biology: putting synthesis into biology.. Wiley interdisciplinary reviews. Systems biology and medicine(IF=7.9). 2011. PMID:21064036. DOI: 10.1002/wsbm.104.
• [20] Leonard Katz;Yvonne Y Chen;Ramon Gonzalez;Todd C Peterson;Huimin Zhao;Richard H Baltz. Synthetic biology advances and applications in the biotechnology industry: a perspective.. Journal of industrial microbiology & biotechnology(IF=3.2). 2018. PMID:29915997. DOI: 10.1007/s10295-018-2056-y.
• [21] Yasutomi Higashikuni;William Cw Chen;Timothy K Lu. Advancing therapeutic applications of synthetic gene circuits.. Current opinion in biotechnology(IF=7.0). 2017. PMID:28750201. DOI: 10.1016/j.copbio.2017.06.011.
• [22] Angela Re. Synthetic Gene Expression Circuits for Designing Precision Tools in Oncology.. Frontiers in cell and developmental biology(IF=4.3). 2017. PMID:28894736. DOI: 10.3389/fcell.2017.00077.
• [23] Sebastian Palacios;James J Collins;Domitilla Del Vecchio. Machine learning for synthetic gene circuit engineering.. Current opinion in biotechnology(IF=7.0). 2025. PMID:39874719. DOI: 10.1016/j.copbio.2025.103263.
• [24] Daniel Bojar;Martin Fussenegger. The best of both worlds: reaping the benefits from mammalian and bacterial therapeutic circuits.. Current opinion in chemical biology(IF=6.1). 2016. PMID:27236825. DOI: 10.1016/j.cbpa.2016.05.012.
• [25] Xiao Tan;Justin H Letendre;James J Collins;Wilson W Wong. Synthetic biology in the clinic: engineering vaccines, diagnostics, and therapeutics.. Cell(IF=42.5). 2021. PMID:33571426. DOI: 10.1016/j.cell.2021.01.017.
• [26] Cuilin Zhang;Qiuyu Zhuang;Jingfeng Liu;Xiaolong Liu. Synthetic Biology in Chimeric Antigen Receptor T (CAR T) Cell Engineering.. ACS synthetic biology(IF=3.9). 2022. PMID:35005887. DOI: 10.1021/acssynbio.1c00256.
• [27] Mingqi Xie;Martin Fussenegger. Designing cell function: assembly of synthetic gene circuits for cell biology applications.. Nature reviews. Molecular cell biology(IF=90.2). 2018. PMID:29858606. DOI: 10.1038/s41580-018-0024-z.
• [28] Jean-Yves Trosset;Pablo Carbonell. Synthetic biology for pharmaceutical drug discovery.. Drug design, development and therapy(IF=5.1). 2015. PMID:26673570. DOI: 10.2147/DDDT.S58049.
• [29] Maria Karlsson;Wilfried Weber. Therapeutic synthetic gene networks.. Current opinion in biotechnology(IF=7.0). 2012. PMID:22305476. DOI: .
• [30] Xingyan Ye;Kezhen Qin;Alisdair R Fernie;Youjun Zhang. Prospects for synthetic biology in 21st century agriculture.. Journal of genetics and genomics = Yi chuan xue bao(IF=7.1). 2025. PMID:39742963. DOI: 10.1016/j.jgg.2024.12.016.
• [31] Willian Batista-Silva;Paula da Fonseca-Pereira;Auxiliadora Oliveira Martins;Agustín Zsögön;Adriano Nunes-Nesi;Wagner L Araújo. Engineering Improved Photosynthesis in the Era of Synthetic Biology.. Plant communications(IF=11.6). 2020. PMID:33367233. DOI: 10.1016/j.xplc.2020.100032.
• [32] Marc-Sven Roell;Matias D Zurbriggen. The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition.. Current opinion in biotechnology(IF=7.0). 2020. PMID:31812911. DOI: 10.1016/j.copbio.2019.10.004.
• [33] Bella N Archibald;Vivian Zhong;Jennifer A N Brophy. Policy makers, genetic engineers, and an engaged public can work together to create climate-resilient plants.. PLoS biology(IF=7.2). 2023. PMID:37440471. DOI: 10.1371/journal.pbio.3002208.
• [34] Ruipeng Chen;Shuyue Ren;Shuang Li;Huanying Zhou;Xuexia Jia;Dianpeng Han;Zhixian Gao. Synthetic biology for the food industry: advances and challenges.. Critical reviews in biotechnology(IF=7.7). 2025. PMID:38797660. DOI: 10.1080/07388551.2024.2340530.
• [35] Jing Ke;Bing Wang;Yasuo Yoshikuni. Microbiome Engineering: Synthetic Biology of Plant-Associated Microbiomes in Sustainable Agriculture.. Trends in biotechnology(IF=14.9). 2021. PMID:32800605. DOI: 10.1016/j.tibtech.2020.07.008.
• [36] Attia Iram;Yueming Dong;Codruta Ignea. Synthetic biology advances towards a bio-based society in the era of artificial intelligence.. Current opinion in biotechnology(IF=7.0). 2024. PMID:38781699. DOI: 10.1016/j.copbio.2024.103143.
• [37] Stephen Picataggio. Potential impact of synthetic biology on the development of microbial systems for the production of renewable fuels and chemicals.. Current opinion in biotechnology(IF=7.0). 2009. PMID:19481438. DOI: 10.1016/j.copbio.2009.04.003.
• [38] Beatrice V Vetter;Nikolaos Pantidos;Matthew Edmundson. 2nd Congress on applied synthetic biology in Europe (Málaga, Spain, November 2013).. New biotechnology(IF=4.9). 2014. PMID:24565608. DOI: .
• [39] Zhanar Abil;Xiong Xiong;Huimin Zhao. Synthetic biology for therapeutic applications.. Molecular pharmaceutics(IF=4.5). 2015. PMID:25098838. DOI: 10.1021/mp500392q.
• [40] Javad Aminian-Dehkordi;Shadi Rahimi;Mehdi Golzar-Ahmadi;Amritpal Singh;Javiera Lopez;Rodrigo Ledesma-Amaro;Ivan Mijakovic. Synthetic biology tools for environmental protection.. Biotechnology advances(IF=12.5). 2023. PMID:37619824. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2023.108239.
• [41] Jacqueline Dalziell;Wendy Rogers. Scientists' Views on the Ethics, Promises and Practices of Synthetic Biology: A Qualitative Study of Australian Scientific Practice.. Science and engineering ethics(IF=3.0). 2023. PMID:38082028. DOI: 10.1007/s11948-023-00461-1.
• [42] Yakun Ou;Shengjia Guo. Safety risks and ethical governance of biomedical applications of synthetic biology.. Frontiers in bioengineering and biotechnology(IF=4.8). 2023. PMID:37941726. DOI: 10.3389/fbioe.2023.1292029.
• [43] Thomas Douglas;Julian Savulescu. Synthetic biology and the ethics of knowledge.. Journal of medical ethics(IF=3.4). 2010. PMID:20935316. DOI: 10.1136/jme.2010.038232.
• [44] Varsha Aravind Paleri;Kristien Hens. From consultors to collaborators - An SOP for advancing ethics engagement in science.. Synthetic and systems biotechnology(IF=4.4). 2025. PMID:40689230. DOI: 10.1016/j.synbio.2025.06.006.
• [45] Jing Li;Huimiao Zhao;Lanxin Zheng;Wenlin An. Advances in Synthetic Biology and Biosafety Governance.. Frontiers in bioengineering and biotechnology(IF=4.8). 2021. PMID:33996776. DOI: 10.3389/fbioe.2021.598087.
• [46] Haifeng Ye;Dominique Aubel;Martin Fussenegger. Synthetic mammalian gene circuits for biomedical applications.. Current opinion in chemical biology(IF=6.1). 2013. PMID:24466575. DOI: 10.1016/j.cbpa.2013.10.006.
• [47] Petra Schwille;Stefan Diez. Synthetic biology of minimal systems.. Critical reviews in biochemistry and molecular biology(IF=6.4). 2009. PMID:19635039. DOI: 10.1080/10409230903074549.
• [48] Paul S Freemont. Synthetic biology industry: data-driven design is creating new opportunities in biotechnology.. Emerging topics in life sciences(IF=3.3). 2019. PMID:33523172. DOI: 10.1042/ETLS20190040.
• [49] Weijie Zhao. A forum on synthetic biology: meet the great challenges with new technology.. National science review(IF=17.1). 2021. PMID:34676090. DOI: 10.1093/nsr/nwaa252.
• [50] Lionel Clarke;Richard Kitney. Developing synthetic biology for industrial biotechnology applications.. Biochemical Society transactions(IF=4.3). 2020. PMID:32077472. DOI: 10.1042/BST20190349.
• [51] Nikolet Pavlova;Georgi Y Miloshev;Antoniya V Georgieva;Martina Traykovska;Robert Penchovsky. Versatile tools of synthetic biology applied to drug discovery and production.. Future medicinal chemistry(IF=3.4). 2022. PMID:35975897. DOI: 10.4155/fmc-2022-0063.
• [52] Brent Erickson;Rina Singh;Paul Winters. Synthetic biology: regulating industry uses of new biotechnologies.. Science (New York, N.Y.)(IF=45.8). 2011. PMID:21885775. DOI: 10.1126/science.1211066.

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