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1. 概述

在高科技迅猛发展的时代，合成生物技术是各领域中最无法忽视的一项新兴技术。自其诞生以来，其发展的速度使越来越多的科学家对其产生极大的研究兴趣。现阶段合成生物技术的研究正处于较为基础的阶段，但是在生物科学、生物燃料、生物医疗、生态环境、生物能源等领域仍起到了重要的作用。

2. 合成生物学的技术路径

合成生物学是生物化工产业链的底层核心技术之一。完整的生物化工全产业链有6大环节，包括基因工程、菌种培育、发酵过程分离纯化、改性合成和开发应用。因此，一个细胞就像是一个工厂。

细胞工厂的构建首先需要创建微生物的基因组代谢网络和调控网络模型，然后在此基础上设计出目标化学品的最优合成途径，避免其他副产物的竞争，使目标化学品的合成途径在热力学上可行，合成过程能量供给充足。自然状态下，如不掺杂人为因素，微生物合成途径中各个酶的催化效率几乎不可能达到非常协调的状态，催化效率慢会限制合成的速度，催化效率快会导致中间代谢物累积使细胞“中毒”。这些都会制约细胞工厂的生产速率。

因此，优化合成途径使其达到平衡协调的状态这一环节至关重要。目前主要通过多基因调控技术及蛋白骨架技术来调整基因序列或者酶的顺序来提升催化效率。

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3. 合成生物学的主要研究领域

3.1. 基因元件

基因（生物）元件 (Genetic Element)是指具有某种特定的生物学功能的DNA 或 RNA，是设计合成生物的的基本单位。其主要的特性是信号接收与输入，信号发出和产物输出功能，调节信息流、代谢与生物合成功能，与其他元件相互作用，具有特定的工作环境。它可以是功能元件也可以是界面调控元件。其中包括功能基因转录、蛋白质翻译与修饰、功能酶反应等基因的调控。标准化的基因元件被称为“生物砖”，是具有可连接性末端的基因元件。

3.2. 生物模块

生物模块 (Biological Module) 是指一组细胞内区域化的生物器件(Biological Device)，它们由内在功能联系在一起，执行特定的复杂功能。细胞内模块往往是具有特定功能的途径，如代谢途径、信号转导途径、调控途径等。其中模块可以由“生物砖”通过某种逻辑关系构建而成，但功能必须完全清楚。

3.3. 基因定向突变合成技术

基因突变是指 DNA 序列中碱基排列顺序的变化，包括点突变、易位、倒置、插入、缺失等。在合成生物学的研究中，采用 PCR 技术，通过序列的定向突变，可以实现对原始基因序列优化，合成新的基因功能、基因转录调控区等，从而满足生物元件的设计要求。

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4. 合成生物生物学的应用

4.1. 探索生命奥秘

对于生命本质的探索科学家们从来都是乐此不疲。合成生物技术，尤其是人工合成生命的出现，使我们对探索生命的奥秘有了突破性的进展。现阶段我们对生命与自然规律的了解只是九牛一毛，合成生物技术能够由人类亲自设计与组建生命，这种自下而上的研究方法与传统的生物学技术研究方法是完全相反的。

4.2. 生物新能源

当今世界不可再生能源急剧减少，“石油之战”屡见不鲜，合成生物技术的出现缓解了能源短缺的情况。生物酒精（生物乙醇），是通过粮食作为原材料经过发酵转化为燃料。这项技术的出现使人们看到了石油可被取代的希望，生物酒精比石油的成本低出很多并且更加环保。光合藻类，是将藻类细胞通过合成生物技术提炼或分泌出油脂，从而制造柴油或者其他燃料。如果这项技术能够大规模地应用到工业生产当中，那么其商业价值前景不可估量。

4.3. 医疗卫生

合成生物技术在药物方面最著名的就是生物合成青蒿素从而提高抗疟疾药物的产量，并且降低了成本。此前青蒿素曾被化学合成，但化学合成的成本较高，导致产量很低，很多人仍死于疟疾，其中大部分为儿童。直到生物合成青蒿素的出现，研究人员利用工业微生物发酵生产青蒿素。至此之后青蒿素的产量有了显著提高。合成生物技术也有利于医疗疫苗以及医疗器械的研发与生产。目前主要是流感病的疫苗的研发，利用合成生物技术可以快速建立病毒模型，提高病毒疫苗产量。

4.4. 农业生产

合成生物技术在缓解全球粮食短缺方面也有着突出贡献。科学家利用合成生物技术设计出抗病害强的优质作物以及工业原料，从而提高农业生产的经济效益和环境效益。

5. 展望

生物合成学在材料领域的拓展是传统观念发酵技术的一种革新。相对于传统的化学合成技术，其碳排放更低,生产流程更短，但同时也面临着产物提纯和产业化生产的挑战。未来新的提纯技术是合成生物学兴起的重要制约技术，同时随着新的基因代谢路径的设计更多的材料将能够通过生物合成的方式生产。

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