香精香料是个人护理产品中的重要成分，其中，萜类化合物及其衍生物在天然香料市场中有着重要的地位。近年来，合成生物学的蓬勃发展为解决萜类香料产能瓶颈及开发更多元化的新型香料化合物带来了新机遇。本文探讨了合成生物学在萜类香料可持续生产中的应用和发展，介绍了数据驱动的合成生物学和生物技术创新如何赋能萜类香料生产，讨论比较了萜类合成的经典合成途径和替代合成途径，并探讨了萜类合酶挖掘与改造进展。在此基础上，着重介绍了单萜类、倍半萜类和降异戊二烯类香料的细胞工厂合成现状，包括元件改造、途径优化和萜类解毒等关键技术策略。最后，对当前专利布局和产业化竞争格局进行了总结分析，并对未来发展的挑战和机遇进行了展望，包括生物合成技术的挑战、新产物的发掘与设计，以及市场监管与安全性问题。
基因工程、生物计算、发酵工程等生物科技在过去20年中实现了前所未有的技术突破，推动诸多行业进入合成生物驱动的新纪元，而化妆品行业便是其中之一。根据历史规律，护肤方式的变革都源自“原材料”的迭代：远古人类已经会用植物制造最原始的护肤品，当农业社会发展到能对植物成分进行复配的时候，就产生了护肤驻颜的复方。工业革命之后，化工产业的发展催生了多种新型原材料，进而推动了化妆品的大规模工业化生产。而20世纪末，随着欧美制药的大发展，很多药用分子成为了护肤的原材料，催生了“药妆品”行业的发展，满足了人们对抗衰、美白等更多护肤功效的需求。如今，不断升级的护肤抗衰需求，需要更高效、更安全、更环保的新型“原材料”。生物科技使我们能够合成比传统化工材料更安全、更具成本效益的材料，人工合成透明质酸、角鲨烷、神经酰胺、天然植物活性成分等均是护肤领域的明星功效成分。近年来，合成生物学实现了飞速发展，人工智能蛋白质设计等新技术使更加复杂的生物材料实现了工业化量产。以重组人源化胶原蛋白为例，这一解决了医学领域重要问题的生物制剂，已经被用作护肤品原料。由此可见，合成生物学的技术外溢，正在缩小医学级治疗和消费级抗衰之间的差距，为护肤行业带来快速的升级。基于合成生物技术生产的护肤产品正在逐步摆脱传统化工产业，向生物科技进发，从“化妆品”逐渐向“生妆品”进化。“生妆品”的出现，标志着合成生物技术为护肤行业插上了翅膀，从此开启功效更强、更安全、更环保的护肤品行业新篇章。
合成基因线路利用合成生物学的技术和方法，将生物元件进行重新设计与构建，使人工设计的生物分子线路在活细胞中行使特定生物功能，在生物制造、医疗健康以及环境监测等领域具有巨大的潜力。但其工程化设计仍受到各种因素的制约，包括正交元器件数量有限、大规模线路组装困难、线路行为预测性低等。根据研究者们开发的各种调控元件工具箱和组装方法，本文逐点阐述了工程化设计基因线路所需遵循的几个核心原则：正交化、标准化、模块化与自动化。文章从DNA复制、转录和翻译层面介绍了正交基因元件库的构建和改造方法；全面总结了基因元件的标准化定量表征方法与标准元件设计方法；并介绍了本团队与其他团队在模块化基因线路设计方面的相关进展；分别从软件、硬件和人工智能角度展示如何实现基因线路的自动化设计。最后，本文探讨了基因线路设计的未来发展趋势，指出需要进一步融合人工智能和自动化等信息技术来加速基因线路“设计-构建-测试-学习”循环的迭代，提高线路设计的功能可预测性和复杂性，高效设计出符合目标需求的人造生命体。
人类社会发展对化石燃料的依赖导致了资源枯竭的加剧及显著的气候变化，迫切需要开发能够代替化石燃料的新型生物燃料。虽然已有生物乙醇和生物柴油等生物能源，但其生产规模和成本仍然是大规模应用的主要问题。近年来，随着可再生能源技术的发展，结合代谢工程及新兴的合成生物学，开发基于CO2合成的新兴生物燃料，逐渐成为未来绿色能源的重要研究方向。本文综述了生物燃料的种类及四代生物燃料的发展情况，并着重介绍了第三代和第四代生物燃料丰富的底物原材料、多能源偶联合成生物燃料的研究现状、合成生物学在其中的应用及现阶段的研究进展。最后概括了合成生物燃料所面临的困境，主要包括原料的供应及成本，新型液体生物燃料产量低和产品种类少等问题，并提出相应的解决办法，以二氧化碳作为主要原材料，结合自养型微生物及甲基营养型微生物等细胞工厂，通过优选固碳途径、转化二氧化碳为甲醇等低碳底物及多能源耦合等方式实现多种生物燃料的合成，以期扩大生物燃料的产能及应用范围，进一步推动新型生物燃料的产业化进程。
L-精氨酸是一种碱性氨基酸，是护肤产品中常用的中和剂、保湿剂和抗氧化剂，此外，L-精氨酸还广泛应用于饲料、医药、食品等领域。以工程化的谷氨酸棒杆菌和大肠杆菌等微生物为催化剂，以可再生的淀粉糖为原料，通过微生物发酵的方法生产L-精氨酸是目前该产品最主要的生产方法。为创制高效的工程微生物菌种，早期研究者通常采用诱变筛选的方法，但由于突变的不确定性和非定向性，育种效率较低。随着合成生物技术的发展，人工设计L-精氨酸的合成途径和调控机制，并通过基因编辑理性创制工程微生物菌种成为研究的主流。本文综述了不同微生物中发现的L-精氨酸合成途径及调控机制，以谷氨酸棒杆菌和大肠杆菌为主，介绍了设计创制L-精氨酸高产菌种的合成生物学代谢改造策略，以及基于生物传感器的高通量筛选在L-精氨酸高产菌种筛选中的应用。最后，展望了进一步提高L-精氨酸生物合成水平的潜在策略，以及一碳原料等新型非粮碳资源在未来L-精氨酸生产中的应用前景。
红景天苷是一种具有抗缺氧、抗氧化、抗衰老和抗肿瘤等活性的天然产物，被广泛应用于化妆品与医药领域。目前获取红景天苷的主要方式是从红景天属植物的根茎和块茎中提取，由于其含量稀少，日益增长的市场需求导致植物资源逐渐匮乏。因此，开发新的合成方法成为了研究热点。红景天苷的天然生物合成路径已被解析，随着合成生物学的发展，采用合成生物技术构建微生物细胞工厂合成红景天苷成为缓解当前供需失衡和资源紧缺状况的有效途径。本文针对红景天苷的药理活性、植物合成路径、途径酶的挖掘与筛选、大肠杆菌和酿酒酵母的生物合成现状等相关研究进展进行系统性的综述，探讨了红景天苷的分离提纯方法以及它作为合成中间体在制备其他化合物方面的应用潜力，以期助力对红景天苷合成路径与相关工程改造策略的理解，并推动红景天苷绿色、高效的生物合成。
黄酮类化合物是一类广泛存在于自然界中的多酚类化合物，因其显著的抗氧化、抗炎、抗菌等生物活性在化妆品中广泛应用。然而，传统植物提取方法的局限性促使研究人员转向合成生物学以寻求更高效的生产途径。本文根据美白抗氧化、抗菌消炎、防晒抗衰老和增色增彩四个功能分类分别列举了几种常见黄酮类化合物在化妆品中的应用；介绍了黄酮类化合物的现有生物合成途径并总结了典型黄酮类化合物的最新研究进展；详细讨论了合成生物学及代谢工程策略。接着，针对黄酮类化合物在化妆品应用中的水溶性差和稳定性低的问题，总结了相应解决方案的研究进程。最后，总结并展望了人工智能辅助合成生物学的策略以应对黄酮类化合物合成过程中的挑战。同时，本文强调了黄酮类化合物的安全性和有效性评估的重要性，以推动其在化妆品行业的应用。
透明质酸（hyaluronic acid， HA）是一种在化妆品、食品和医疗领域广泛应用的天然直链酸性黏多糖。根据分子量大小，HA可分为高、中、低三类，不同分子量的HA具有不同的功能和应用场景。随着微生物发酵技术取代传统动物组织提取法，HA工业化生产取得了巨大进步。然而，天然HA合成菌株兽疫链球菌的缺点（如潜在致病性以及难以分子改造），限制了不同分子量HA的生物合成研究。近年来，随着特定分子量HA需求的不断增长，代谢工程和合成生物技术已广泛应用于HA生物合成与分子量调控。本文首先分析了中高分子量HA合成的限制性因素，重点讨论了HA前体合成途径的基因调控及竞争支路的弱化。其次，探讨了HA合酶、前体供应和发酵条件对超高分子量HA合成的影响。最后，总结了低分子量HA的制备策略，包括物理化学法、酶法和微生物直接发酵法。还针对HA的生物合成与分子量调控面临的挑战——高分子量HA分子量不够高、中高分子量HA合成能力弱和低分子量HA分子量可控性差三方面展开系统性综述，加强对HA生物合成与分子量调控策略的理解，助力实现可控分子量HA的高效生物合成。
利用对环境和非靶标生物友好的小分子生物农药防治病虫害，是一种可持续保障农作物安全生产的管理方法。然而，小分子生物农药的研发和应用也面临一些挑战，比如种类少、产量低等。通过合成生物学和代谢工程等方法，构建高产特定生物农药的微生物细胞工厂可以克服这些瓶颈问题。本文总结了2000年以来在我国新登记的小分子生物农药及部分半合成农药的化学结构与作用对象，并对代表性生物农药的生物合成机制与细胞工厂构建，如多杀霉素、白藜芦醇等进行了综述。对这些小分子生物农药的深入理解可为解析其生物合成途径与提高产量提供理论依据，并对新型生物农药的发现和应用提供借鉴。随着合成生物学与代谢工程等学科的不断发展，可以预见未来将设计和构建出更多高效、环保小分子生物农药的细胞工厂，并将其广泛应用于生产。
自1999年首个基因组规模代谢模型（genome-scale metabolic model，GEM）问世以来，GEM已成为解析生物代谢的重要工具。该模型包含代谢基因、代谢物和反应，并结合化学计量矩阵与约束优化，系统描述和模拟生物体内的代谢过程。此外，GEM能够整合热力学参数、动力学参数、多组学数据及多细胞过程，构建更精细且具有更强大预测能力的多约束多过程模型。然而，先验知识的局限成为其发展的瓶颈。机器学习技术凭借强大的数据处理和模式识别能力，为进一步扩展GEM提供了新思路。本综述系统总结了传统GEM及多约束多过程模型的构建流程，并着重探讨了机器学习在其中关键步骤中的应用前景，如基因功能注释、途径解析、空缺填补和生物学参数预测。机器学习技术作为新的驱动力，有望大幅度提升GEM的规模和质量，深化对生物代谢机制的理解，并推动实现数字孪生细胞。
蛋白质工程，通过定向进化、半理性或理性设计、计算机辅助设计等手段，实现对蛋白质特定功能的设计和改造，获得的工程化蛋白质在食品、医药、能源、材料等行业具有重要的应用价值。在医药化工领域，工程化酶可作为化学原料药及其中间体合成的高效生物催化剂，实现医药工业绿色制造。在生物制药领域，多肽或蛋白修饰酶的改造可显著提升候选药物的制备效率，诊断酶的改造则可以大幅增强检测的准确性和灵敏度。此外，蛋白质工程在提升治疗性酶和治疗性抗体等生物制剂的生物活性、增强药物稳定性、降低免疫原性等方面也发挥重要作用，从而提高药物的可开发性、安全性和有效性。因此，本文简要回顾了蛋白质工程的发展历程，具体阐述了其在化学原料药合成和生物制药两大产业中的一系列应用实例，旨在剖析蛋白质工程在科技成果转化及医药产业应用中存在的问题与挑战，并展望医药产业中蛋白质工程的未来发展方向，以期为促进产学研一体化发展提供借鉴。
单萜类化合物是一类由两个异戊二烯单元缩合而成的萜类化合物，被广泛应用于医药、食品、香料、化妆品、农业和能源等行业中。相较于植物提取和化学合成，利用微生物异源合成单萜类化合物提供了一种高效、可持续及生态友好的可替代途径。酵母细胞由于具有短暂的生长周期、内源甲羟戊酸路径和完整的蛋白后修饰体系等优势，成为生物合成单萜类化合物的潜在宿主。随着合成生物学关键技术的发展，研究者们已经成功构建了合成单萜的微生物细胞工厂，但与大规模工业化生产之间还有很大距离。本文介绍了单萜的生物合成途径，除酵母内源甲羟戊酸途径外，人工构建的异源异戊烯醇利用途径与醇依赖型半萜途径也可用于单萜前体香叶基二磷酸的合成，随后围绕提高单萜前体供应、关键酶的改造和调控、区室化工程、缓解单萜的细胞毒性等几个方面阐述了利用酵母细胞合成单萜类化合物的策略和研究进展。最后基于目前单萜类化合物合成仍面临的前体供给不足与单萜及中间代谢物的细胞毒性等挑战，对未来酵母合成单萜类化合物的发展方向进行了展望，包括对单萜产生细胞毒性的具体机制进一步解析、更高效单萜合酶的挖掘与改造、动态调控单萜合成的代谢途径以及更稳定高效合成单萜宿主细胞的探索等，旨在为以后利用酵母合成单萜提供一定的指导。
在基因转录过程中，RNA聚合酶通过识别启动子序列启动转录过程，而当其识别到位于3′-UTR的终止子序列后，转录复合物解离，转录过程终止。因此，转录单元内的启动子和终止子分别发挥启动和终止转录的作用。然而，对于下游的转录单元，终止子除了终止转录本通读这一直接作用以外，其与RNA聚合酶之间的解离可能会影响后续转录单元中启动子与RNA聚合酶的结合，从而间接改变下游转录单元的表达。这种跨转录单元的终止子和启动子之间的互作关系目前尚缺少研究，因此，明确终止子对下游转录单元的转录反应强度的影响对于精准调控基因表达、开发高效终止子具有重要的意义。本研究通过one-pot技术将9种终止子、5种间隔序列和9种启动子进行组合构建了一个包含405种不同组合元件（终止子-间隔序列-启动子）的组装文库，基于FlowSeq技术对文库中所有组合进行测序和荧光强度分析，进而建立组合序列-下游基因表达之间的相关性。结果表明弱终止子、短间隔以及强启动子的组合更有利于提高下游基因的表达。通过对转录本的定量分析发现弱终止子不仅提高下游的渗漏转录（提高21～70倍），同时也促进了下游启动子重新招募RNA聚合酶进行重启转录（提高2～3倍）。本研究解析了终止子对下游转录单元基因表达的调控效果和机制，为利用终止子构建基因回路提供设计依据。
随着合成生物学的快速发展，氨基酸衍生物作为一类重要的化妆品原料，其生产方式正发生历史性革新。传统生产方法存在生产成本高、环境负担重、产品稳定性差等问题。运用合成生物技术设计构建微生物细胞工厂，不仅能有效提升目标产品生产效率、降低成本，还能实现绿色生物制造，满足市场对天然、安全、功能性强化妆品原料的供应需求。本文介绍了氨基酸衍生物在化妆品中的应用，并对其生物合成策略进行了总结，从酶转化和微生物发酵两种主要的生物合成工艺入手，探讨了酶工程、理性代谢工程以及非理性筛选等策略在化妆品原料氨基酸衍生物细胞工厂构建中的应用，并进一步对化妆品原料氨基酸衍生物的生物合成研究进展与发展趋势进行了系统综述。在人工智能等前沿技术的赋能助力下，合成生物技术必将进一步推动化妆品原料高效绿色生物制造的革新进程。
植物细胞培养（plant cell culture， PCC）作为一种极具发展潜力的生物合成平台，具有生长周期短、成本效益高、无病原危害、次生代谢产物丰富等优势，在医药、食品和保健等领域备受关注。然而，生产效率不足是限制PCC应用于商业化生产的最大阻碍，其中，遗传转化效率低、调控网络复杂、细胞结团及遗传稳定性差是主要困难。合成生物学遵循自下而上的工程化建造理念，对天然植物细胞进行精准设计与改造，为开发高效、经济可行的植物细胞工厂提供了新的解决方案。本文回顾了PCC作为合成平台在生产重组蛋白和次生代谢产物中的研究现状。重点探讨了植物合成生物学对PCC在工业化发展中的推动作用，包括优质植物细胞系的构建、遗传转化体系的优化、表达系统的优化、生产效率与产能的提升以及赋予植物细胞合成异源产物的能力。未来，PCC的发展更需强调合成生物学理念和技术在突破当前技术瓶颈中的关键作用，以促进植物细胞大规模培养的进一步发展。
生物制造是中国“十四五”战略性新兴产业之一。本文作者曾经提出“道法术器”对工业生物制造的哲学指导意义。为了深入阐述生物制造中“法以立本”的原则，本文首次提出“市本率”这一创新性概念，即产品市场价格与原料成本的比值，英文全称是Price to Cost-of-raw-materials Ratio，简称PC值。市本率是一个衡量技术水平与经济价值的关键指标，具有简单、公开、透明的属性，提供了生物制造产品分类新方法，有助于指导新技术增效和降本的发展路径，预判生物产品未来制造成本及市场价格的趋势，评估新兴生物技术的产业化潜力。市本率的计算与分析，作为一种新方法学工具，将为生物制造战略新兴产业的未来发展提供顶层设计的新视角，深化对生物制造产品市场前景的理解，推动生物经济高质量发展。
伴随消费者对化妆品的需求急剧增长，化妆品原料市场同步扩张。化妆品原料作为化妆品的核心成分，不仅承载着化妆品的主体功效和产品竞争力，同时对化妆品的安全也至关重要。合成生物学是以工程化设计为理念，利用基因编辑技术、计算机模拟技术和生物工程等技术对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成的一门新兴交叉融合性学科。合成生物学的进步使微生物宿主能够以高效、具有成本竞争力和安全的方式合成有价值的天然产物。随着合成生物学的不断发展，酿酒酵母作为一种重要的微生物底盘细胞，在化妆品原料合成中的应用日益广泛。构建酿酒酵母细胞工厂异源生物合成化妆品原料作为一种有效的替代方案，具有环保、可持续的优点，可以减少对传统物理提取法的依赖以及规避化学合成法的污染问题。本文综述了酿酒酵母基因编辑技术的发展及其在化妆品原料生物合成途径构建中的关键作用，总结了基因多拷贝整合、区室化工程、转运工程、人工多细胞体系等代谢工程策略在化妆品原料酿酒酵母细胞工厂优化中的应用，并进一步从萜类、维生素类、多酚类、蛋白质与氨基酸类等不同类别的化妆品活性成分出发，阐述了酿酒酵母细胞工厂生物合成化妆品原料的最新进展。虽然酿酒酵母在化妆品原料大规模生产方面具有巨大潜能与优势，然而目前仍面临诸如产品生物合成途径未完全解析、生物合成水平较为低下、分离纯化困难等一系列挑战。未来，结合人工智能、机器学习等手段有望开发更为高效的基因编辑工具并应用于酿酒酵母细胞工厂的优化与化妆品原料成分的合成中，为化妆品行业的可持续发展提供理论支持和实践指导。
CRISPR-Cas基因编辑技术由于其简便性和高效性，已被广泛应用于生物学、医学、农学等领域的基础与应用研究。目前广泛使用的Cas核酸酶均具有较大的分子量（通常大于1000个氨基酸），而广泛应用于基因治疗中的腺相关病毒（AAV）载体的承载容量却十分有限，在容纳CRISPR核酸酶与gRNA的编码序列之余往往难以承载更多其他功能元件，如碱基编辑、转录调控、多基因编辑等相应元件，这严重限制了其在基因治疗等领域的应用。使用紧凑型Cas蛋白变体的CRISPR-Cas系统可能有助于用AAV产生和传递基因组编辑和调节工具到人类细胞。因此，小型化的CRISPR-Cas系统开发是解决这一技术难题的重要途径，本文主要概括了基于Cas9、Cas12和Cas13蛋白系统在小型化方面的研究进展，包括筛选新型Cas蛋白、缩减蛋白结构域以及引导RNA的改造等，旨在为开发微型精准基因编辑和调控工具提供新思路。目前小型化的CRISPR-Cas系统的局限性主要体现在蛋白分子量的大小和基因编辑的效率、特异性不可兼得上，在未来的研究中若能解决这一问题，获得更小型化的结构域，相信不仅能够优化该系统在体内的传递，更有望为临床带来高效率且低损害的治疗方法。
母乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）是母乳中仅次于乳糖和脂肪的第三大固体成分，具有调节免疫系统、维持消化健康及促进大脑发育等生理功能。近期，加州大学伯克利分校Patrick M. Shih基于合成生物学使能技术，在模式植物本生烟中重构HMOs代谢合成途径，利用太阳光能将CO2转化为系列HMOs。相关研究为HMOs的生物制造提供了新思路与新范例，扩宽了植物合成生物学在乳基功能营养品可持续发展领域的应用前景。从政策批准和工业应用等角度来看，上述技术仍处于“概念验证”阶段；相比之下，将CO2捕获催化与微生物细胞工厂发酵过程相结合的技术方案，更有望在短期内实现HMOs绿色生物制造的工业应用。
功能肽是由2～50个氨基酸组成的短链肽，近年来因其特异性强、作用迅速及副作用低而成为开发新药和功能原料的重要研究热点。首先，本文梳理了功能肽的分类、作用机制及应用场景，总结了不同类型功能肽的特点和在生物医药、食品科学及化妆品等领域的应用。接着，针对功能肽的合成方法，探讨了化学合成与生物合成的最新进展，比较了这两种制备工艺的优缺点以及各自的适用场景。在功能肽挖掘策略方面，本文综述了噬菌体表面展示技术、机器学习算法、分子对接技术及人工智能技术等方面的最新研究，这些技术在功能肽的筛选和设计中展现出重要潜力，提升了研究的效率与准确性。展望未来，功能肽的研究将面临新的挑战与机遇。如何改进合成工艺以提高效率，如何通过结构修饰提高功能肽稳定性，以及如何利用计算机辅助优化和人工智能设计多功能肽，将成为重要的研究方向。同时，加强功能肽的安全性和有效性的评估能进一步提升功能肽的应用潜力。
