随着科技的发展和人们对生物学的深入了解，合成生物学作为一个新兴领域吸引了越来越多的关注。合成生物学旨在通过利用工程学和生物学的方法，设计、构建和优化新的生物系统和功能，从而实现对人类社会的贡献。在医药、化工、农业、生态等领域都具有极其广阔应用前景。
发展与应用
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近 年来，生物科学的基础研究和生物技术应用取得了进步。 合成生物学整合了系统生物学、工程学、计算机科学等学科，通过重新设计现有的自然系统或开发新的生物部件 和装 置，实现 “生命的修改”乃至“生命的创造”。
目前，合成生物学是全球40个国家350多家公司的核心技术和基础。2016年的全球净市场价值超过39亿美元。预计到2024年，合成生物学的净市场预计将增加到189亿美元。由此可见，合成生物学的潜在应用是非常广泛的，可覆盖医疗健康、化工、能源、材料、食品、美妆、农业等各细分领域。据统计，2019~2024年，年复合增长率最快的细分领域是食品饮料和农业。
亚太是全球合成生物学第三大市场，而中国合成生物学市场预计2025 年市场规模有望突破70亿美元。据国家发展改革委发布的《“十四五”生物经济发展规划》提出，有序推动合成生物学在生物、医药、农业、食品等领域的技术创新与应用，在前沿领域实施国家重大科技项目和重点研发计划。
合成生物学产业层结构主要分为三层：
应用层：开发产品或服务（新药开发、生物材料、工业酶、食品饮料、精细化工品、生物基化工品、微生物药等）。
软件/硬件层：数据标准及相应的软件与硬件（DNA元件设计软件、云端生物铸造厂、高通量自动化实验室设备等）。
工具层：工具基础原料（DNA/RNA合成、DNA元件库、工具酶、基因编辑服务、模式生物库等）。
目前国内企业基本上都集中在工具层和应用层，合成生物学领域做应用层的企业包括凯赛生物、华恒生物、华熙生物、蓝晶微生物等。深圳华大集团旗下的华大智造、华大基因分别做软件/硬件层和工具层。此外，上海迪赢生物也是国内做工具层的佼佼者。
凯赛生物是全球独家掌握从实验室到工业化大生产的完整技术体系、并成功实施多个关键产品商业化的高科技企业。目前，凯赛生物拥有“以合成生物学手段，开发微生物代谢途径和构建高效工程菌”、“微生物代谢调控和微生物高效转化技术”、“生物转化/发酵体系的分离纯化技术”、“聚合工艺及其下游应用开发技术”四大核心技术。（来源：凯赛生物官网）
华恒生物的主要产品包括氨基酸、维生素和生物基材料单体等，可广泛应用于中间体、动物营养、日化护理、植物营养和功能食品与营养等领域。值得一提的是，华恒生物已建立了“工业菌种—发酵与提取—产品应用”的技术研发链，在工业菌种创制、发酵过程智能控制、高效后提取、产品应用开发环节形成了完备的技术领先优势。（来源：华恒生物官网）
图2 合成生物学细胞工厂开发的工作流程。
深圳华大智造科技股份有限公司以仪器设备、试剂耗材等相关产品的研发、生产和销售为主要业务，已成为当前全球唯二能够自主研发并量产从Gb级至Tb级低中高不同通量的临床级基因测序仪企业之一。（来源：华大智造官网）
迪赢生物是一家处于迅速发展期的合成生物学创新型高科技公司，也是国内能商业化完成超高通量新一代DNA合成的企业。迪赢致力于新一代核酸合成，为合成生物学、分子诊断原料和生物医药工具等领域提供有力支持。目前，迪赢生物已经成功开发出了3D喷墨打印超高通量原位DNA合成平台，实现了国内该领域的零突破。（来源：迪赢生物官网）
机遇与前景
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1.低成本、高质量
利用合 成生物学技术，生产大宗化 工品，用更低的成本替代原来用化工法生产的产品。 从短期来看，选择用更低成本、和更绿色方式来生产有潜力的化工品，更容易取得成功。 还需要注意的是选品问题，是否有生产成本优势以及生产效率问题。 例如，巴斯夫公司开发的维生素 B2 的生物转化过程比化学过程成本降低 50% ； 丁二酸的生物法制备路线生产成本比传统石化路线降低 20% ； 华恒生物公司的厌氧发酵法生产 L- 丙氨酸工艺，产品生产成本和酶法相比可以大幅降低 50% 。 不仅提高 了生产的效率，同时降低了成本，使合成生物学的盈利成为可能。
2.绿色环保、安全性高
根据研究数据表明，生物技术的应用可以降低工业过程能耗15-80%， 原料消耗35%-75%；减少空气污染50%-90%，水污染33%-80%；降低生产成本9%-90%。据OECD预测，到2030年35%的化学品及相关产品将通过生物技术制造，工业生物技术每年将降低二氧化碳排放量10-25亿吨。这对于当下追求“碳达峰碳中和”的目标，无疑是一种推动。
近日，陶氏化工厂爆炸的消息又聚焦了一些人的目光。无论是化学品运输、化学反应、有毒物质的处理等都是伴随着一定风险的。而合成生物学技术的出现与研究帮助解决了这一难题，通过合成生物学技术进行安全生产，相较于传统的化工流程就可以规避爆炸、有毒物质泄漏等风险了。
存在的挑战
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如同任何事物都具有双面性，合成生物学的研究和应用同时也伴随着 一定的挑战与风险 ，如知识技术挑战、物种多样性受到威胁、生物武器滥用、实验室泄漏和人为突变等。 如果没有合适的治理体系，这类研究活动可能会对人类、植物和动物以及自然生态系统造成危害。
1.知识技术挑战
合成生物学技术将为世界经济和社会可持续发展提供新的动力，为解决全球环境和人类健康等领域问题提供了全新的方案。目前，研究者们已取得了重大突破，但由于合成生物学的发展仍处于早期阶段，人们在面对经过亿万年自然选择下进化而成的复杂生命体系，对于新兴领域的认知及接受程度还是非常有限。因此，合成生物学正面临着一系列知识和技术创新的挑战。技术方面，如何规模化量产也是一个值得考虑的问题。让合成生物学的技术走出实验室，进入工厂大规模生产是目前亟待攻克的难关。
2.安全风险
针对合成生物学领域的相关研究打破了传统的自然进化历程，挑战了传统的生物进化法则。同时也给不同国家的不同群体带来了差异化的生物安全挑战。一些目前被列举出来的风险包括但不局限于：超级细菌/新型病毒的产生、实验室泄露，故意建造生物武器以及生物研究中可能产生的意外后果等。
总结
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总而言之，虽然合成生物学还面临着一系列的未知挑战，但是对于目前资源枯竭，以及倡导绿色低碳的大环境来说，合成生物学的应用还是具有巨大潜力和广阔前景，也是十分必要的。如何在应用创新技术的同时，合理规避规模化生产带来的风险，还是很值得进一步考虑的。
参考文献
[1] Paula Jouhten. Metabolic modelling in the development of cell factories by synthetic biology[J].CSBJ.2012
[2] Thomas Lee a, Jestin George. Future worldbuilding with synthetic biology: A case study in interdisciplinary scenario visualization [J]. Futures 147 (2023) 103118
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