歷史上，生物學家一直設想運用工程原理來改造或重新編程生命系統。科學家們曾提出多種構想，如將細胞轉變為工業機器、改造病毒以摧毀腫瘤，以及創造人工基因組以復活滅絕物種。盡管這些設想在不久前還被視為科幻，但如今生命工程已成為現實，推動了合成生物學領域的進步。

分子生物學的技術進步是合成生物學革命的核心動力。細胞內含有復雜的調控網絡指令，這些網絡控制著細胞的生長、結構和功能。合成生物學家通過在實驗室中修改這些網絡或創建人工網絡、精確控制時空基因表達，從而以可編程的方式調控細胞行為。

許多消費品如今源自合成生物學，其中基因改造細胞被用于生產塑料、藥物前體和食品成分等產品。2020年，全球合成生物學市場規模估計達到了88.8億美元，并預計直至2027年，將以每年20.8%的速度增長。隨著經濟需求和利益的不斷增長，學術界和工業界的生物學家、工程師及計算科學家正積極拓展視野，利用合成生物學的力量解決人類健康相關的問題。

合成生物學的過去、現在和未來

20世紀30年代，諾貝爾獎得主、生物學家赫爾曼·穆勒曾預言，改造染色體將成為生物學的未來。然而，合成生物學的起步相對低調，始于弗朗索瓦·雅各布和雅克·莫諾在1961年的開創性研究，他們在大腸桿菌中發現了乳糖操縱子，這是一種根據環境變化調節細胞行為的基因調控電路。隨后，科學家們在模式生物中陸續發現了許多基因調控元件。與此同時，PCR分子克隆和測序技術的進步，使研究人員能夠繪制出基因調控元件與其影響的細胞通路之間的聯系。合成生物學家利用這些知識，設計合成元件或編輯現有的基因調控模塊。

如今，分子克隆、無細胞系統和CRISPR技術已成為基因網絡工程的常用工具。研究人員通過分子克隆設計和組裝賦予細胞新功能的合成基因片段和蛋白質。然而，通過克隆技術改造細胞需要耗費大量時間，并且在將這些產品應用于人類健康和環境時，研究人員面臨生物安全方面的限制。無細胞系統則提供了一種簡單的替代方案，通過溶液中的分子機器實現體外蛋白質合成，雖然成本較高且產量較低，但避免了上述問題。

2013年，細菌防御系統CRISPR-Cas9首次在真核生物基因組工程中得到應用，為合成生物學領域帶來了全新的方法。精確的基因組編輯在十年前還是一項挑戰，而CRISPR的出現為構建人工合成電路提供了新機遇，省去了繁瑣的克隆步驟。借助CRISPR，科學家能夠快速編輯基因元件，以控制或修改基因調控程序，實現預期的結果。

合成生物學家綜合利用這些方法，開發出理解和控制癌癥、神經退行性疾病和遺傳綜合征等復雜疾病的新策略。此外，合成基因模塊還能加速藥物發現，使研究人員能夠在疾病模型（包括代謝性疾病、自身免疫性疾病和傳染性疾病模型）中高效測量藥物反應。目前，合成基因電路和表觀基因組編輯這兩項合成生物學研究正在推動藥物發現的進展。

合成基因電路

合成基因電路是工程化的基因網絡，通過轉錄和轉錄后機制進行調控，使生物體能夠對環境中的特定信號或條件作出響應。在這些電路中，相互作用的DNA、RNA和蛋白質充當可編程開關，以精確控制細胞行為。一個穩健的基因電路可以在時空上精確地開啟或關閉相關基因，隨著控制期望的細胞行為的基因數量增加，基因電路也變得更加復雜。

基于CRISPR技術的合成基因電路舉例

轉錄因子（TFs）是基因電路中最常見和流行的元件，通過結合DNA基序來調控基因表達。自21世紀初以來，研究人員利用重 DNA技術，通過突變或合成的TFs構建了多種基因電路。然而，TFs存在一些不足之處，例如其激活和抑制的動態范圍較大，使其在基因電路中作為on/off開關時不夠穩健且難以編程。此外，由于TFs序列較長，其合成會導致較高的測序成本。

CRISPR技術的進步為傳統轉錄因子（TF）電路提供了一種替代方案。CRISPR電路通過使用核酸酶（如Cas9）和多個靶向引導 RNA（gRNA）來控制目標基因，能夠快速且精確地切割電路中的特定 DNA序列。相比于冗長的工程化TF序列，每個gRNA分子僅約20個核苷酸長，因此設計和生產速度更快、成本更低。

合成基因電路在表型藥物發現項目中日益受到關注，研究人員在這些項目中發現了調節生理相關細胞行為或細胞信號通路的候選藥物。借助這項技術，研究人員即使在疾病特征尚未完全明確且藥物靶點未知的情況下，也能找到有效的治療藥物來解決與疾病相關的表型問題。其中一個應用是利用合成基因電路來積累神經退行性疾病中發現的有毒蛋白質聚集體，從而在細胞實驗中識別能夠阻斷聚集的潛在藥物候選物。因此，合成基因電路有望通過提供藥物作用下，活細胞內狀態的實時、多重讀數，來提升基于細胞實驗的藥物發現效率。

合成生物學助力早期藥物發現

深度探索：發現隱藏的基因組

基因組的長度從幾千到數十億個堿基對不等。基因組研究的最大挑戰是為所有編碼和調控DNA片段賦予功能。雖然人類基因組的大部分區域都經歷了廣泛的轉錄，但其中只有不到 2%的轉錄產物被推定是功能性RNA，能夠編碼蛋白質。但其他基因組區域大多仍未被充分表征。這些區域通常被稱為生物學“暗物質”，因為它們緊密纏繞在核小體內，難以進行基因組和轉錄組分析。此外，某些疾病會在蛋白質編碼區上留下甲基化和乙酰化標記，使其更難以被訪問。

CRISPR技術和合成生物學的結合推動了表觀基因組編輯的發展，使研究人員能夠靶向特定的基因組區域，探索基因組隱藏部分的基因調控網絡。借助高度特異性和活性的合成RNA引導核酸酶，研究人員可以通過對DNA、組蛋白和染色質結構修飾的特定位點控制，來實現精準的表觀基因組編輯。

優化CRISPR/Cas系統以應用于人類細胞

雖然由于時空特異性和脫靶效應的限制，表觀基因組編輯的應用仍然有限，但該技術在藥物發現方面展現出巨大的潛力。研究人員將源自患者的誘導多能干細胞和類器官技術與CRISPR介導的表觀基因組編輯技術相結合，開發了個性化疾病模型，以研究表觀遺傳標記和以前無法獲得的調控DNA序列在疾病進展中的作用。此外，研究人員正在揭示基因組非編碼部分中與疾病相關的啟動子、沉默子和增強子的變化，以推動藥物發現的進展。這些模型還能讓人們更深入地了解健康組織中以前未被表征的基因調控區域是如何發揮功能的，從而揭開人類基因組的神秘面紗。

推進合成生物學的工具

從簡單的細菌細胞到復雜的酵母和哺乳動物細胞，技術創新實現了合成基因元件開發的標準化和自動化。

從測序、克隆到在表達系統中測試CRISPR和基因電路，Tecan肯帝提供一系列簡化合成生物學工作流程的自動化解決方案。

Fluent®工作站可以自動完成耗時而繁瑣的克隆步驟，如構建體開發、細胞轉染和克隆挑選，從而在克隆、CRISPR-Cas9和篩選測定中提供高效、可重復的結果。此外，超微量加樣儀D300e可通過高通量報告基因檢測篩選編輯或沉默的基因。結合Lonza的96孔Shuttle™電轉系統和Pickolo™克隆挑選模塊，Tecan肯帝的自動化細胞系工作流程可以進行穩健的板復制、單細胞克隆評估和克隆挑選，從而實現下游蛋白質定量和表征步驟。