合成生物學：開啟生命科學“會聚”研究新時代
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從使能技術創新到工程化平臺建設
顛覆性使能技術是支撐合成生物學發展的關鍵，而?DNA?合成以及高效基因組編輯技術都是其核心使能技術?，F有基因合成的主流方法是基于寡核苷酸合成儀來合成寡核苷酸，然后在此基礎上利用?PCR?等手段來進行基因合成；該技術的工程化使合成通量大幅度提高，催生了眾多生物公司開展基因合成業務，合成價格也因此極大降低。但是，為進一步降低超長序列（如基因組）合成的成本，不少團隊正在研發基于芯片法合成高精度寡核苷酸池，配以不同的拼接手段實現最后拼接的方法。除化學合成寡核苷酸的方法外，科學家也在探索利用末端轉移酶（terminal deoxynucleotidyl transferase, TdT）直接快速合成?DNA，有希望直接合成比目前方法長?10?倍的?DNA?鏈，且不需要使用毒性化學物。當然，隨著?DNA?合成價格的降低，基于?DNA?的信息存儲也將是未來一個很有前景的發展方向。
科學家一直在探索實現對基因組（特別是高等生物基因組）的精準編輯，曾研發了鋅指核酸酶（Zinc-finger nucleases, ZFN）和轉錄激活因子樣效應因子核酸酶（transcription activator-like effector nucleases, TALEN）等方法。由于?CRISPR?系統的高效、方便、廉價等優點，這兩種方法在?CRISPR?系統發展起來之后被逐漸淘汰。從?2012?年起，科學家利用?CRISPR-Cas?體系的可編程和精準切割等特點陸續發展了一系列基因組編輯的工具，其宿主范圍目前已經覆蓋了從細菌到高等生物，而且還在不斷增加中。
CRISPR-Cas?介導的基因組編輯的基本原理是利用向導?RNA?介導?Cas?蛋白在特定的靶標序列處引起?dsDNA?的斷裂，然后利用同源重組方法進行精準的?DNA?序列替換或利用非同源末端連接方法進行靶標基因的中斷。在此基礎上，一系列衍生方法得以發展，如利用只切割一條鏈的?Cas9?切口酶（Cas9-nickase）突變體連組合來降低基因組編輯的脫靶率。最近，基于?CRISPR?發展起來的單堿基編輯器在不造成靶標?DNA?斷裂的情況下，通過對特定的堿基進行脫氨來進行基因組的精確編輯，被認為有較好的發展前景。此外，利用失活的?Cas?蛋白還可以進行靶標基因的轉錄調控、表觀遺傳修飾研究和基因組的成像等。值得一提的是，除了基因組編輯外，Cas13、Cas12?以及?Cas14?等蛋白在結合了靶標?DNA?后會誘發其旁路切割活力，進而被開發成下一代分子診斷技術；在該方向上，我國的科學家也做出了原創性的成果。
生命體具有高度復雜性，人工設計的基因線路很難完全按照預期工作，往往需要長時間的反復調諧?？朔@一難題的最有效手段，是建立工程化研究平臺，大批量測試多種元件、線路、底盤的組合，獲取海量實驗數據，以指導進一步工程優化與理性設計。工程化平臺的核心合成生物研究的自動化設施，亦稱為生物鑄造廠，依照“設計—構建—測試—學習”的閉環策略組織工藝流程，進行工程化的海量試錯，從而快速獲得具有目標功能的合成生命體。如美國勞倫斯伯克利國家實驗室的?Agile BioFoundry，美國伊利諾伊大學的?iBioFAB，美國麻省理工學院的?MIT-Broad Foundry，英國帝國理工學院的?London DNA Foundry，以及產業界的?Amyris?公司、Zymergen?公司、Ginkgo?公司等。在此背景下，我國規劃由中國科學院深圳先進技術研究院承擔建設全球最大的合成生物研究重大科技基礎設施。值得指出的是，從原創發現到產業化應用，僅僅依賴于自動化設施是不夠的。例如，人工酵母細胞生產青蒿素，是合成生物學領域目前最成功的產業化案例。項目領導者美國?Jay Keasling?教授，圍繞工程化平臺建立了完整的研發體系——由勞倫斯伯克利國家實驗室負責上游原創發現，聯合生物能源研究所（JBEI）負責中游技術開發，Amyris?公司負責下游產業應用的創新鏈條。這些圍繞工程化平臺的體制與機制創新，值得深入研究與思考，為充分發揮我國重大科技基礎設施對合成生物學研究、創新與產業的巨大推動作用提供重要借鑒。