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合成生物学是一门集生物学、基因组学、工程学和信息学为一体的交叉学科。其技术路径基于系统生物学和工程学原理，以基因组和生化分子的合成为核心，结合生物化学、生物物理和生物信息等技术，旨在设计、改造和重建生物分子、生物元件以及生物分化过程，从而构建具有生命活性的生物元件、系统和人工细胞或生物体。通俗地说，合成生物学就像是通过基因编辑技术，将底盘细胞（相当于奶牛）和廉价原料（如草料）结合，通过发酵过程产生高价值的化学或生物原料，类似于牛奶的转化过程。
麦肯锡的研究表明，生物制造产品有望覆盖60%的化学制造产品，未来将在医药、化工、食品、能源、材料和农业等传统行业带来重大影响。
合成生物学的前世今生
“合成生物学”一词最早由法国物理化学家斯蒂芬·勒杜克在1911年提出，其在《生命的机理》一书中试图利用物理学理论解释生物起源和进化规律。现代合成生物学的发展起源于1961年弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫诺的一项研究，他们在大肠杆菌中发现了调节性双基因表达的理论。
进入21世纪，合成生物学取得了一系列颠覆性成果。例如，2000年，波士顿大学Collins团队设计了双稳态基因网络开关；2002年，纽约州立大学石溪分校通过化学合成获得具有感染性的脊髓灰质炎病毒，成为历史上首个人工合成的生命体；2010年，美国Venter团队宣布首个“人工合成基因组细胞”问世。此外，2013年青蒿素的生物合成，2017年CRISPR基因编辑技术的应用等都标志着合成生物学在科学研究和应用领域的迅速发展。
进入21世纪的合成生物学发展可以分为四个阶段：创建时期、扩展和发展期、快速创新和应用转化期以及发展新阶段。
合成生物学的核心策略与基础
合成生物学的核心策略是“设计-构建-测试-学习”循环（DBTL），在生物制造领域，通过反复循环可以成功构建目标细胞并生产出所需产品。首先是“设计”，基于标准化生物元件进行基因或代谢通路的设计；其次是“构建”，包括DNA合成、大片段组装和基因编辑；然后是“测试”，需要高效准确地检测突变体或候选目标；最后是“学习”，利用测试数据指导下一轮设计。底盘细胞和发酵工程是合成生物学两大基础，底盘细胞多为常用的模式微生物，例如酿酒酵母和大肠杆菌，而发酵工程则包括上游、中游和下游三个部分，涵盖菌种选育、发酵过程控制和产品纯化。
合成生物学关键底层技术发展
合成生物学的产业链分布包括前端的基因编辑相关技术公司、平台公司和产品型公司。关键底层技术的发展，如DNA合成成本的大幅下降以及基因编辑技术的迭代，推动了合成生物学的广泛应用和产业进步。基因编辑技术从第一代的锌指核酸酶（ZFN）到第二代的TALENs，再到第三代的CRISPR/Cas9，使基因编辑变得更加简单高效。
与人工智能的结合加速研发
人工智能技术广泛应用于合成生物学的各个环节，如原件工程、基因线路、代谢工程和基因组工程，提高了工作效率并降低了成本。通过计算机仿真和自动化平台，进一步加速了合成生物学的研发进程，如集成机器人平台的DBTL循环优化等应用。
合成生物应用场景
合成生物学应用广泛，包括生命健康领域的创新治疗方法、化工领域的材料和生物燃料、农业领域的作物增产和微生物固氮应用以及食品领域的合成肉类和无动物生物工程奶等。尤其在医疗健康、化学品、能源和农业等领域的潜力巨大。
合成生物学的未来
合成生物学被认为具有显著的经济影响力。根据预计，到2030-2040年间，合成生物学每年带来的经济影响将达到1.8至3.6万亿美元。其在降低工业能耗、减少废物排放、降低生产成本等方面的潜力，使其成为未来绿色生产的一种优选方式。
合成生物学经历了从概念到产业的转变，主要依赖于底层技术的创新。未来，随着基因合成、基因编辑和DNA测序技术的不断发展，合成生物学将在更广泛的领域产生重要影响，预计到2024年全球市场规模将达到189亿美元，并在医疗、化工、农业和食品等领域带来新一轮的产业革命。
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