本文将继续分享赵国屏院士在《中国合成生物学2035发展战略》中探讨的合成生物学未来发展的主要应用领域、对我国合成生物学发展的政策建议共 2 节。

赵国屏 中国科学院院士

03  合成生物学未来主要应用领域

合成生物学的应用领域主要包括低碳生物合成、合成生物能源、生物活性分子的人工合成及创新应用、健康与医药、农业与食品、纳米与材料、环境等七个方向。

（1）低碳生物合成 

面向“双碳”目标与产业变革的重大需求，提高生物对能量的利用效率，需要在低碳生物合成的基础研究、关键技术、产业应用等方面开展系统研究。面向2035年，需要围绕两个重大突破方面开展深入研究：

① 推动工业原料路线的代替，以CO2为工业原料，利用可再生能源，形成生物制造路线，实现工业绿色化；

② 推动农业生产方式的转变，创造利用太阳能将CO2合成为有机物的“非高等植物”新途径，推动“农业工业化”。此外，应尝试建立以太阳能发电为主要能源输入，以CO2为原料的有机物人工合成，形成封闭空间高效物质循环供给模式。

（2）合成生物能源 

合成生物能源面临高昂生产成本和低廉产品价值之间的矛盾、巨大市场需求和较低技术成熟度之间的矛盾，这两种矛盾是当前合成生物能源技术发展及产业应用的关键瓶颈。因此，需要研究生物发酵工艺优化、智能发酵控制、发酵产品分离纯化等，实现合成生物能源的高效低成本生产，从而在与石化能源的竞争中取得优势。

未来需要优先发展以下5个方向：纤维素生物燃料整合生物炼制系统设计构建、利用含碳气体人工生物转化系统制备生物燃料、生物甲烷高效转化的多细胞体系设计构建、高效生物产氢体系的设计组装、便携式与植入式生物燃料电池系统创制。

（3）生物活性分子的人工合成及创新应用 

合成生物学在天然产物研究领域的应用，面临着植物天然产物合成基因元件挖掘困难、工程化微生物的发酵产物市场准入受限、新型天然产物实体库的建立问题。在未来的发展中，需要开发从未知的基因簇出发，逐步建模蛋白结构、推定蛋白功能、预测产物结构，最后通过结构上的药效官能团来预测新产物可能的生物活性的生物信息学算法或工具。同时，搭建统一的新型天然产物结构文库，对化合物进行系统且全面的生物活性或靶点的评估。

（4）健康与医药 

在应对传染病方面，病毒性疾病新型研究体系、新型疫苗开发、治疗性抗体设计等领域都取得了一定进展。未来的发展方向包括建立重要新发烈性病毒的研究体系，建立和完善针对病毒大类的基因组信息专用数据库，从头设计抗体分子，开发具有广谱保护活性的T细胞多肽疫苗、包括RNA疫苗的新型核酸疫苗，开发个体生物反应器、蛋白质化学工厂等新技术。

在应对重大慢性疾病方面，基于人工基因线路的定制细胞疗法和基因治疗推动了重大慢性疾病创新治疗策略的发展。然而，目前基因线路定制细胞的设计与构建主要依靠假设-试错循环的经验性方法。如何设计与构建智能化、自动化的定制细胞和基因线路以满足不同实际应用场景需求是目前亟待解决的瓶颈问题。

未来的发展，将利用蛋白质定向进化技术、人工智能化技术在解析底盘细胞生命活动分子机制的基础上，设计动态化感知的智能化基因线路，有效保证癌症、代谢疾病等治疗的安全性、高效性和特异性。

（5）农业与食品 

农业合成生物技术将为光合作用、生物固氮、生物抗逆、生物转化和未来合成食品等世界性农业生产难题提供革命性解决方案。未来将以人工高效光合、固氮和抗逆等领域为重点突破口，提出三个发展阶段的战略目标。

• 5年近期目标是：创制新一代高效根际固氮微生物产品，在田间示范条件下替代化学氮肥25%；光合效率提升30%，生物量提升20%；模式植物耐受2%盐浓度，农作物耐受中度盐碱化、耐旱节水15%。

• 10年中期目标是：扩大根瘤菌宿主范围，构建非豆科作物结瘤固氮的新体系，减少化学氮肥用量50%；光合效率提升30%，产量提升10%；农作物耐受中度盐碱化并增产5%~10%、耐旱节水20%。
  

• 20年远期目标是：在逆境条件下大幅度减少化学氮肥，光合效率提升50%，产量提升10%~20%。

合成生物学在食品领域应用分为开发非主要营养成分和主要营养成分。

非主要应用成分的生产方面，利用合成生物技术生产维生素需要进一步提高产量、突破发酵工艺瓶颈，透明质酸、母乳寡糖等的生产需要创建适合于食品工业的细胞工厂，动植物来源的功能性天然产物的生产亟待解决的问题是合成效率低下。

主要营养成分方面，功能蛋白需要在质构仿真、营养优化、风味调节等方面实现突破，新植物资源食品的开发目前亟待研究的重点是营养、风味和口感等多个方面的问题，利用二氧化碳、依靠光能或电能生产油脂也是重要的研究方向。

（6）纳米与材料 

合成生物学工程化的生物源纳米材料已有诸多进展，但在临床转化方面还有很多亟待解决的难题。“仿生命体”虽然原料源充足，但其中一些纳米材料的获取方式还不具有工业生产的普适性，需要增强靶向效率、提高转染率；“半生命体”材料能够在体内实现药效，但在一定程度上也会引起机体的不适或引发新的毒副作用，未来需要监控并纠正药物在体内的不正确状态、提高药物靶向性等；“类生命体”只模仿了生命体的一部分功能，投入到临床使用的最大困难还是技术成熟度的问题。此外，未来不同生物源纳米材料的量产模式和标准化获取路线的建立，以及工程化优化体系的建立等，都将推动该领域的广泛临床应用。

合成生物技术在推进天然生物组分的异源表达生产、仿生功能材料的模块化设计和功能“活”材料发展方面取得了重要进展。

未来需要重点发展的方向主要包括在合成材料中重现天然生物材料的结构和性能、新材料或模块的发现、材料性能的定向进化、工程“活”材料的性能优化、新材料的规模化生产，以及生物合成材料的生物安全问题等。

（7）环境

基于合成生物学的环境检测与生物修复技术仍存在一些直接制约大规模实际应用的瓶颈性问题，如应用广泛性、空间适应性、生物安全性等问题。未来优先发展方向包括生物传感与环境检测、污染物多靶点和细胞毒性评价、微生物改造和污染物生物降解、人工多细胞系统构建和生物修复等。

04  对我国合成生物学发展的政策建议

为了实现我国合成生物学未来中长期发展目标，充分发挥合成生物学的“赋能”潜质，推动“生物技术革命”和“提升人类自身能力”，不仅需要重新审视现有的研究和开发体系，还迫切要求组织管理模式的变革以及创新生态的建设，从而保证资助机制和管理政策能够与合成生物学的“会聚”特点及“赋能”潜质相匹配。

（1）研究开发体系与能力建设 

未来应围绕国家重大战略需求，着眼未来国家竞争力，结合领域发展规律与趋势，加强战略谋划和前瞻布局，通过制定国家中长期发展路线图，有计划、有步骤地开展科学研究和技术开发，既考虑全面、多层次的布局，也突出“高精尖缺”技术。重点支持能力建设，特别是支持合成生物学元件库、数据库，以及专业性、集成性、开放共享的工程技术平台（包括基础设施）建设和核心工具的研发。

从我国合成生物学产业发展的需求和目标出发，建立和完善从工程平台到产品开发、产业转化的研发体系与资助保障机制，打通科技成果转化的通道。同时，建立政产学研等多层次、综合性的协作网络，跨领域、跨部门合作的组织模式，以及开放与包容的文化，形成有利于“会聚”的生态系统。

（2）综合治理与科学传播体系 

合成生物学技术的快速发展，直接带来涉及开源共享与知识产权、市场准入，以及伦理、生物安全（安保）等问题，挑战了传统的管理模式和治理体系。

首先，应针对现有管理政策中存在的问题、漏洞和空白，开展长期的监管科学和政策研究，明确相应的主管部门，厘清责权，建立科学、理性、有效、可行的管理原则，制定研发、生产、上市等各环节的配套政策和规范体系。

其次，需要从合成生物学的颠覆性特点出发，评估和研判其带来的伦理、生物安全等方面的新风险与新挑战，建立风险防范治理体系。

最后，应针对合成生物学科学传播与公众认知/参与的影响因素和有效途径等问题，建立合成生物学各级科普教育基地与科学传播平台，培养专业的合成生物学科普人才和传播队伍，促进合成生物学科技及其产业的健康发展。

（3）教育与人才培养 

合成生物学的会聚发展，需要创新的教育和人才培养模式。一方面，要进一步加强合成生物学的学科建设，夯实多学科专业基础；通过实施相关的教育计划，逐步建立合成生物学的学科教育体系。另一方面，通过基地（平台）建设与队伍建设相结合，国家及地方的系列人才工程相结合，培养具备跨学科研发能力的人才队伍。

本文来源：《中国合成生物学2035发展战略》、《合成生物学期刊》公众号

责任编辑：焦欣渝 杨蕴力

排版设计：任晓静

总监制：胡晓丹

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