合成生物學在多個領域都有廣泛的應用前景，主要應用領域包括健康與醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)與食品、生物能源、環(huán)境保護等。隨著技術的不斷進步和應用范圍的擴大，合成生物學有望在未來為人類社會帶來更多創(chuàng)新和突破。

表1.合成生物學主要應用場景

數(shù)據(jù)來源：專家訪談；B Capital分析；BCG分析

合成生物學的生產(chǎn)流程

隨著分子生物學的不斷進步，基于生物學知識的理性設計策略已廣泛應用于細胞生產(chǎn)領域。特別是“DBTL”（設計-構(gòu)建-測試-學習）循環(huán)方法，通過基因合成、基因編輯和細胞培養(yǎng)等技術手段，像搭積木一樣去構(gòu)建代謝通路，成功構(gòu)建所需細胞，用于生產(chǎn)目標產(chǎn)品。

構(gòu)建的生產(chǎn)細胞經(jīng)過發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化即可得到理想的合成生物學產(chǎn)品。

圖1. 合成生物學生產(chǎn)流程圖（資料來源：華安證券研究所整理）

基因編輯在合成生物學中的應用

微生物代謝產(chǎn)物豐富多樣，包括眾多天然產(chǎn)品。以絲狀真菌為例，它們能合成抗生素、色素、酶及激素等多種物質(zhì)，廣泛應用于醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)和基礎生物學研究。目前，絲狀真菌生產(chǎn)的酶占工業(yè)酶市場約50%。然而，絲狀真菌遺傳背景復雜，某些次級代謝產(chǎn)物僅在特定環(huán)境下產(chǎn)生，實驗室標準條件下難以合成。CRISPR系統(tǒng)作為簡便基因編輯工具，已用于多種絲狀真菌基因編輯，如敲除天然代謝途徑基因或在宿主細胞中表達異源基因，以優(yōu)化天然產(chǎn)物合成、增強目標產(chǎn)物表達、減少或消除毒性產(chǎn)物，推動絲狀真菌開發(fā)與應用。

圖2. CRISPR技術在絲狀真菌次級代謝產(chǎn)物合成中的應用[4]

黑麥麥角菌（Claviceps purpurea）所產(chǎn)麥角生物堿，能治療偏頭痛、高血壓，并在產(chǎn)婦分娩后助子宮收縮，減少出血。研究者們巧妙將CRISPR/Cas9 RNP復合物和供體DNA（donor DNA），一同導入黑麥麥角菌的原生質(zhì)體內(nèi)部，針對與尿苷生物合成、菌絲形態(tài)學以及麥角生物堿產(chǎn)量等緊密相關的三個靶基因進行精準敲除。實驗結(jié)果顯示，這一基于體外預組裝的CRISPR RNP策略，能夠高效且精確地剔除麥角生物堿合成路徑中的關鍵基因，有助于闡明麥角生物堿的生物合成途徑，促進對麥角菌的代謝工程改造，提高麥角生物堿合成效率。

圖3. 黑麥麥角菌CRISPR基因編輯流程[5]

合成生物學在微生物領域的應用前景極為廣闊，尤其在滿足環(huán)境改善需求和推動工業(yè)化生產(chǎn)方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，當選用微生物作為生產(chǎn)平臺時，往往面臨需大量消耗糖類資源（如葡萄糖）的挑戰(zhàn)。此外，微生物在異源表達源自植物的代謝途徑及調(diào)控酶（如細胞色素P450酶系）方面存在效率低下的問題。相比之下，植物能夠直接利用大氣中的二氧化碳作為碳源，合成所需化合物。鑒于植物與宿主之間擁有相似的細胞器、輔酶及輔助因子，這為直接將特定代謝路徑轉(zhuǎn)移至宿主植物并應用于生產(chǎn)提供了便利，且無需繁瑣的優(yōu)化過程。

隨著植物合成生物學的快速發(fā)展，我們現(xiàn)能夠通過精心設計與改造植物，以滿足不斷增長的各種需求。例如，可以開發(fā)多樣化的生物傳感器以實時監(jiān)測細胞活動，通過精準改造提升作物產(chǎn)量與營養(yǎng)品質(zhì)，或是生產(chǎn)植物天然產(chǎn)物及蛋白質(zhì)。這些創(chuàng)新的工程應用不僅彰顯了植物合成生物學的成熟度，更為其未來的蓬勃發(fā)展奠定了堅實基礎。

圖4. 植物合成生物學技術路線和應用[7]

產(chǎn)品推薦

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[4] 林繼聰, 鄒根, 劉宏民, 魏勇軍. CRISPR/Cas基因組編輯技術在絲狀真菌次級代謝產(chǎn)物合成中的應用[J]. 合成生物學, 2023, 4(4): 738-755.

[5] Yu L, Xiao M, Zhu Z, et al. Efficient genome editing in Claviceps purpurea using a CRISPR/Cas9 ribonucleoprotein method. Synth Syst Biotechnol. 2022;7(2):664-670. Published 2022 Feb 16. 

[6] Gao J, Xu J, Zuo Y, et al. Synthetic Biology Toolkit for Marker-Less Integration of Multigene Pathways into Pichia pastoris via CRISPR/Cas9. ACS Synth Biol. 2022;11(2):623-633. 

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[8] Zeng L, Zhang Q, Jiang C, et al. Development of Atropa belladonna L. Plants with High-Yield Hyoscyamine and without Its Derivatives Using the CRISPR/Cas9 System. Int J Mol Sci. 2021;22(4):1731. Published 2021 Feb 9.