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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
油脂及脂肪酸衍生物是食品、生物能源、材料以及医药化工的基础原料，需求量大。当前我国油脂供给高度依赖进口油料作物，受限于耕地资源，仅依靠农业种植难以满足需求。合成生物技术的发展为油脂生产提供了新途径，其中微生物油脂合成技术具有原料来源广、生产周期短、不占用耕地等优势，成为缓解油脂资源供应压力的战略选择。本文从大宗油脂和高值油脂的角度，系统综述了微生物油脂和植物油脂合成生物制造的研究现状，分析了植物油脂和微生物油脂的经济性差异，并总结了油脂分离提取及检测技术。未来，从商业化成熟度考量，高值油脂在短期内有望快速发展，而大宗油脂在中远期具有广阔前景。通过合成生物技术构建高效油脂合成的微生物细胞工厂，推动全链条低成本生物炼制技术，有望创新油脂生产方式，促进油脂产业多元化发展。
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。
自然界中，豆科植物可以通过与根瘤菌的共生，利用其固氮能力将空气中的氮气（N2）还原为植物可直接利用的氨（NH3），从而降低了豆科植物对化学氮肥的需求。然而，玉米和水稻等非豆科作物缺乏根瘤共生固氮的能力，其高产稳产严重依赖化学氮肥的施用。过量施用氮肥导致土壤板结酸化，温室气体排放及水体富营养化等严峻的环境问题，严重威胁农业可持续发展和粮食安全。本文综述了固氮合成生物学的研究历史与现状，为降低非豆科作物对化学氮肥的依赖，固氮合成生物学提出了多种策略：改造根际固氮菌以增强对宿主的氮素供给；增强作物根际招募有益固氮微生物的能力以提高氮素利用效率；工程化改造非豆科植物形成类根瘤器官实现共生固氮；或将固氮酶系统直接导入植物细胞以创制自主固氮作物。近年来，该领域在提升作物产量和部分替代化学氮肥方面已取得显著进展，推动了生物固氮技术在可持续农业与生态环境保护中的创新应用。本文最后对固氮合成生物学的未来发展方向进行了展望，旨在为相关研究提供理论参考与技术指导。
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。
现代农业发展正面临养分利用效率低下和环境负担持续加剧的双重挑战。近年研究表明，根际微生物组（rhizosphere microbiome）作为植物的“第二基因组”，通过调控土壤氮、磷、铁等关键养分的生物地球化学循环，在植物高效获取养分过程中发挥核心驱动作用。合成生物学（synthetic biology）的快速发展为根际微生物组的精准解析与功能设计提供了创新性工具，通过模块化基因编辑、人工群落构建及宿主-微生物互作调控等策略显著提升植物养分利用效率，为突破传统农业依赖化肥、缓解资源浪费和环境压力提供全新的技术途径。本文系统综述了合成生物学驱动下根际微生物组工程在植物养分高效利用领域的研究进展，重点包括根际微生物组参与土壤养分循环的作用机制解析，合成生物学工具在单菌功能强化，群落协同调控、宿主-微生物互作优化等方面的关键作用以及当前技术发展中面临的微生物组复杂性限制、工程菌田间定植稳定性不足、跨作物普适性受限和潜在生态安全风险等诸多瓶颈。并展望了合成微生物组在可持续农业发展中的应用潜力，未来通过定向功能设计、智能响应系统构建及“植物-微生物-环境”协同调控，有望实现作物养分利用效率与可持续生产力的显著提升，从而为推动农业绿色转型提供关键科学技术支撑。
光合作用是地球上几乎所有生命活动的能量和物质来源，其效率直接影响作物的生长和产量。随着合成生物学的快速发展，研究者们开始探索通过工程化手段，从不同层次优化光合作用的基本环节，包括光能利用、碳固定、光呼吸及光合逆境适应等。本文综述了近年来在提高光合作用效率方面的研究进展，重点讨论了新型光能转化模型的构建、Rubisco的定向进化与活性改造、碳同化途径的优化、光呼吸支路的设计以及逆境高光效回路的构建等策略。通过合成生物学的手段，可以显著提高植物的光合效率和抗逆能力，实现生物量和作物产量的提升，为应对全球粮食安全挑战提供新的解决方案。未来，基于合成生物学的策略，深入解析光合作用的分子机制，结合人工智能等新兴技术，将为光合作用的工程化改造提供更为有效的方法和途径，实现作物光合作用效率的显著提升。
有机卤化物在医药和农业领域应用广泛，但其化学合成过程污染严重。卤化酶是实现化合物卤素修饰及功能改善的重要工具。与化学合成不同，卤化酶可以实现有机结构特定位置的精准卤化，并且反应条件温和，避免了苛刻反应条件以及有毒试剂的使用，其催化反应的过程符合绿色化学要求。本文综述了卤化酶在生物合成中的最新研究进展及其在工业生产中的潜在应用。首先，简要回顾了卤化酶的分类、结构特征及催化机制的研究现状，并介绍了相关领域的最新进展；其次，总结了近年来通过基因组挖掘、定向进化和合成生物学等技术发掘新酶资源、优化酶催化性能及扩展酶应用范围的策略；然后探讨了工程化卤化酶在药物、农药及其他生物活性物质合成中的具体应用案例；最后讨论了在机器学习迅速发展的背景下，卤化酶研究的未来发展趋势。
合成生物学通过工程化设计与新生命系统构建，为农业带来了革命性的突破。与传统农业技术相比，合成生物学汇聚农业科技领域的高新技术，可以更高效、更广泛地解决光合作用、生物固氮、作物抗逆、农业生态可持续性等世界性农业难题。合成生物技术不仅可以提高作物产量和优化营养品质，还可以利用生物质副产物产生健康的肥料和土壤，实现废弃物资源化循环的新模式，是应对人口增加和气候变化、促进生物经济可持续发展的战略制高点。本文回顾了农业合成生物学的发展历程，综述了基因编辑技术、代谢工程策略、生物传感器元件开发、基因回路设计、人工智能等在农业中广泛应用的合成生物技术的最新研究进展。阐述了合成生物学在农业中的核心应用，包括提高作物产量和资源利用率、增强抗逆性、作物营养强化以及改善微生物互作等方面。合成生物学在农业领域的多维应用，将有效保障粮食安全并助力未来农业可持续发展。
