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编者按：近年来，学科间的交叉会聚越来越明显，科技创新成果层出不穷。中国科协与生命科学学会联合体、清洁能源学会联合体、信息科技学会联合体、军民融合学会联合体、智能制造学会联合体联合，通过长期的跟踪研究，把握世界科技前沿动态，并定期以“中国科协创新智库产品”发布报告。本文主要介绍我国合成生物学领域近五年的重大项目及应用成果，为科技管理人员了解国内外生命科学的前沿技术及发展趋势提供决策咨询，也为研究与开发人员提供综合的参考信息。

一、近五年我国重大项目

近年来，我国对于合成生物学的发展大力支持，从2012年至2016年底，共启动了10个973项目和1个863项目。主要涉及微生物制造、肿瘤治疗和植物改造等。这些项目目前都取得了显著进展，达到国际领先或首创水平，完成产业转型变革。

1. 元器件的构建及功能模块研究

（1）“人工合成细胞工厂”973项目：

以中国科学院天津工业生物技术研究所马延和为首席的“人工合成细胞工厂”973 项目，以人工合成生物体的工业应用为目标，集中研究底盘细胞与化学品合成途径设计与构建等方面的关键科学问题，围绕大肠杆菌和光合蓝细菌两类代表性的底盘细胞构建，以及从CO2与葡萄糖到化学品两类合成途径的创建，构建人工合成细胞工厂。

（2）“新功能人造生物器件的构建及集成”973项目：

以中国科学院上海生命科学院赵国屏为首席的 973 项目围绕新功能人造生物器件的设计原理、合成组装、模块构建、标准化建库及在底盘细胞中集成与适配机制等关键科学问题和相关技术难点，以萜类化合物的人工异源合成为主要研究对象， 在稀有人参皂苷、甜菊糖苷和丹参酮前体铁锈醇等重要药用食用萜类化合物的器件挖掘、集成及异源合成方面取得重要突破。

（3）“抗逆元器件的构建和机理研究”973项目：

由清华大学林章凛主持的 973 项目研究适配微生物和植物的合成生物学抗逆元器件（即元件与模块），及其在工业和农业上的应用，以期提升我国庞大生物制造业的节能减排，如 2000 亿元年产值的发酵产业菌种的抗酸和抗高温需求；储备高效抗逆农业的战略技术，尤其是 670 多hm2 2%以及以下盐碱地的利用。

（4）“合成生物器件干预膀胱癌的基础研究”973项目：

以深圳大学蔡志明为首席的 973 项目“合成生物器件干预膀胱癌的基础研究”在系统生物学的基础上，将合成生物学技术应用于肿瘤治疗研究。项目发现了部分膀胱癌关键基因及通路， 并在分析相关基因网络信息基础上，利用定量可控工程体系，表征膀胱癌发生发展过程中复杂事件的共性，挖掘出许多具有潜在利用价值的膀胱癌识别和治疗的复合靶标。建立了一个完整的合成生物学靶点筛查与验证平台，用于确定这些潜在靶点是否为有效的靶点。

（5）“新型微生物抗逆元件和功能模块研究”973项目：

2014 年启动的，以中国农业科学院生物技术研究所林敏为首席的 973 项目，针对工农业微生物应用过程易受酸碱、高低温、高渗透压以及干旱等不利影响，根据微生物抗逆与转化分子机制，拟利用合成生物技术，设计优化具有抗高温、耐酸、耐盐以及抗干旱等抗逆标准基因元件与模块，以减少逆境环境的影响、提高工农业微生物的耐受性和相容性、改善生产工艺、提高生产效率和降低生产成本。

2. 药物及生物材料的合成研究

（1）“微生物药物创新与优产的人工合成体系”973项目：

上海交通大学的冯雁作为973项目的首席科学家，通过工程化的系统设计、用标准化和模块化的元素来构建人工合成生物体系，高效地建立和完善微生物药物创新和优产的新模式、推动微生物药物产业的跨越式提升和发展。武汉大学胡黔楠研究组构建了逆向设计微生物药物合成的平台。

（2）“用合成生物学方法构建生物基材料的合成新途径”973项目：

清华大学陈国强为首席的 973 项目采用化学与生物结合的方法设计、合成和组装各种生物基材料聚羟基脂肪酸酯 PHA 的合成路径，通过合成生物学双稳态调控的方法改变了微生物的生长模式，并获得了有复合功能的微生物合成体系，实现细菌基因组减少10%的目标，使微生物达到生长快速、体积大、生物基材料结构丰富的新特点。

（3）“合成微生物体系的适配性研究”973项目：

以中国科学院微生物研究所张立新为首席的 973 项目，选择了微生物药物阿维菌素和 polynikA 为研究对象，开展基于生物底盘调控特性的生物元件表征和设计，解决底盘代谢网络与其加载的外源生物元件的兼容性问题，突出人工合成的调控元件对结构基因定时、定量表达的决定性作用。以聚酮类药物和核苷肽类药物的合成途径作为代表性案例，在已建立的技术平台上高通量地分析和解决不同元件之间的适配性问题，构建大肠杆菌和链霉菌中的适配性研究体系。

（4）“微生物多细胞体系的设计与合成”973项目：

以天津大学元英进为首席的 973 项目，围绕“合成微生物多细胞体系的设计与构建原理”和“合成微生物多细胞体系的适配与调控机制”两个关键科学问题展开研究，在合成微生物多细胞体系实现生物转化、复杂原料利用及低碳底物高碳转化等方面取得了不错的成绩。

二、近五年我国发展合成生物学在产业中的重大成果

近年来，我国合成生物学在理论与技术方面获得了巨大发展，但目前还主要局限于室内理论研究或处于向产业转化的过程中，缺乏大规模的商业应用。

1. 合成生物学在林可霉素生物合成机制方面取得突破

中科院上海有机化学研究所刘文团队发现小分子硫醇通过两个罕见的S-糖苷化反应主导了林可霉素的生物合成进程，不但代表了麦角硫因参与生化反应的首个范例，而且提供了一种放线硫醇依赖的硫元素引入新模式。为针对性地遗传改造林可霉素的工业生产菌种创造了条件，提供了在发酵过程中通过组分优化与产量提高实现降低生产成本和减轻环境污染的理论依据。

2. 天津工业生物所成功获得第一代“人参酵母”细胞工厂

中科院天津工业生物技术研究所张学礼研究员课题组与中国中医科学院中药资源中心黄璐琦研究员课题组合作，获得能同时合成齐墩果酸、原人参二醇和原人参三醇三种人参基本皂苷元的第一代“人参酵母”细胞工厂。这为急剧短缺的人参皂苷类化合物提供了一个全新的资源获取途径，对解决珍稀药用植物短缺问题具有重要意义。

3. 利用改造后的大肠杆菌从头合成甜菊糖苷类化合物

中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所王勇研究组对甜菊糖生物合成途径的关键酶进行了广泛地挖掘。使大肠杆菌中甜菊糖生物合成的关键中间体产量得到大幅度提高，并成功地获得了其主要组分RA。该研究为实现甜菊糖苷等重要二萜类化合物的合成生物制造奠定了基础，同时为改造大肠杆菌成为复杂萜类化合物异源合成的底盘细胞提供了成功范例。

4. 利用微生物混菌体系制作制作微生物燃料电池

天津大学化工学院学生团队利用基因工程对菌株进行改造，使工程化培养的混菌体系不仅共生，还能高效协同。将这种复杂的混菌体系概念应用到微生物燃料电池中，并且得到了较为高效稳定的电输出结果，也就是高效混菌微生物燃料电池。这款电池目前能持续高效产电超过80小时。未来，通过工程化设计和装置材料改进，有可能做成5号电池，甚至手机电池。

5. 西南大学重组基因获人工蚕丝

西南大学夏庆友教授课题组通过敲除Fib-H基因（丝蛋白的最主要成分）获得空丝腺，并进一步将事先设计好的与Fib-H基因类似的人工丝蛋白基因，显微注射到被敲除Fib-H基因的蚕卵体内，使得蚕宝宝吐出人工合成蚕丝蛋白。和正常的蚕茧相比，这些蚕茧轻薄且富含丝胶蛋白，是上佳的美容材料，因此，人工蚕丝不仅能够用于服装业制造服饰，也可用于美容业制作面膜。

中国科协生命科学学会联合体供稿，原文内容有删减。