合成生物学作为一个新兴的交叉学科领域，随着DNA合成技术的进步和合成生物学理念的深入，多个研究方向取得了长足发展。本文主要对基因回路、基因组设计合成、细胞工厂和人工多细胞体系的进展进行了综述。可设计构建的人工基因线路的复杂度逐步提升，人工控制更加精细；组装技术取得快速进展的同时，人工基因组的设计深度也在不断拓展，设计合成的人工基因组由支原体拓展向大肠杆菌，甚至真核生物酿酒酵母，推动了生物进化演化的研究；细胞工厂的设计构建在逐步挑战代谢途径更长、复杂程度更高的化合物的合成，模块化和正交化策略对复杂细胞工厂构建的支撑作用日益明显，鲁棒性和适配性成为细胞工厂构建需要考虑的重要问题；人工多细胞体系的设计构建已经从设计构建两菌体系向多菌体系扩展，通过多种原则进行设计，实现更加复杂的预期功能。本文也对合成生物学与其他学科交叉融合产生的一些新研究方向进行了简介。
DNA信息存储通过编解码、合成、编辑和测序等过程，实现数字信息写入、存储与读出。其在密度、寿命、能耗和抗电磁干扰等方面较磁、光、电等常规的信息存储介质有较大优势。随着全球数据总量的快速增长，DNA信息存储的优势特性和发展潜力受到了研究者的广泛关注。本文阐述了DNA信息存储的基本原理和技术流程，分析了DNA信息存储与生命系统和信息系统的关联，并依据读写技术特点归纳近年来涌现的“DNA硬盘”“DNA光盘”“DNA磁带”等几种主要模式、发展现状及技术路线。在此基础上，探讨DNA信息存储商业化、大规模应用面临的主要挑战，讨论更低成本的数据写入和更快速的数据读出，并指出可行的发展路线。最后，展望了DNA作为新型存储介质在现代存储系统中的发展演化趋势。
结构复杂而多样的天然产物是药物发现和创制的重要宝库。为了克服有限的自然资源，来自学术界和工业界的科学家近两个世纪一直不断尝试人工合成天然产物。化学全合成已经取得了巨大成就，众多高度复杂的天然产物已经被有机化学家成功制备；但本领域仍存在诸多挑战性问题，例如化学反应中涉及昂贵的化学试剂、苛刻的反应条件、难控的立体选择性、冗长的合成路线以及较低的总收率等。随着合成生物学的发展，越来越多天然产物可通过生物细胞工厂实现人工制备，从而提供全新而互补的全合成策略。本文简要概括天然产物化学全合成，围绕几种药物活性天然产物的生物合成介绍其相关进展，以青霉素、红霉素、阿维菌素为例分析总结了天然产物同源途径的改造与优化；以维生素B12、莨菪烷碱为例概括评述了天然产物的异源表达与生物制造；并以人源胰岛素、青蒿素、沙弗拉霉素、嗜氮酮、卡英酸、鬼臼毒素为例重点介绍了生物与化学交叉融合策略在天然产物全合成中的应用。尽管在类天然产物新分子、立体复杂天然产物等的全合成中仍面临诸多挑战，但生物全合成对这些天然产物分子的构建将发挥越来越显著的作用；通过化学合成与生物合成优势互补，并借助当今蓬勃发展的人工智能技术，实现生物全合成的智能化、自动化、高效化将是本领域发展的新趋势。
微生物天然产物一直都是新型生物药物创新的主要源泉，是目前开发临床抗菌、抗肿瘤、免疫抑制剂等药物的重要资源。随着临床耐药菌的日益增多，新型病原菌和病毒的不断出现，以及新骨架天然产物挖掘难度的增加，新型微生物药物的开发正面临着巨大挑战。作为21世纪生命医学领域催动原创突破和学科交叉融合的前沿学科，合成生物学的崛起为解决药物研发困境提供了新的思路和方法，它可以突破天然药物发现的瓶颈，设计新的生物合成途径，产生更多天然药物及类似物。本文综述了近五年来合成生物学在微生物药物研究领域的技术革新，及其在氨基糖苷类抗生素、核苷类抗生素、核糖体肽、萜类以及聚酮类化合物等5大类微生物天然药物的发掘、生物合成以及新结构创制等方面的应用。
合成生物学是汇聚了工程学和生物学的新兴交叉学科，近年来逐步在植物研究领域中显现其重要作用。利用合成生物学技术不仅可以对作物的产量及营养品质性状进行精准的改良和优化，还有望将植物改造成高价值的植物天然产物生产工厂满足人们更多的需求。本文从DNA合成与组装、植物基因编辑技术、核和质体遗传转化体系以及染色体工程等方面介绍了在植物中广泛应用的合成生物学技术。阐述了利用合成生物学开展多样化生物传感器设计、作物产量优化、营养品质强化、植物天然产物与蛋白高效合成等方面的最新研究进展。最后讨论了目前植物合成生物学所面临的问题以及今后的发展趋势。相信经过新一轮的快速发展，植物合成生物学将在未来农作物育种中发挥越来越重要的作用。
微生物合成生物学是一门新兴的交叉学科，其主要目的是通过改造或创制微生物细胞，使微生物具有特定的生理功能或生产目标产物，因此需要高效、快速、精准的基因操作工具。CRISPR技术是一种成本低、操作简便、效率高、功能多样的基因编辑技术，近年来被广泛应用于合成生物学、代谢工程和医学研究等领域，极大地促进了这些领域的发展。本文简述了CRISPR基因编辑技术的发展历史及其作用机制，重点介绍了近年来CRISPR/Cas9技术在微生物合成生物学领域研究和应用的进展，列举了CRISPR/Cas9技术在微生物合成生物学中生产目标产品的研究，总结了由CRISPR/Cas9技术衍生出的CRISPR/Cas12a、CRISPR/Cas13等技术在微生物合成生物学领域的研究及应用，提出了CRISPR基因编辑技术现存的PAM依赖性、脱靶效应、安全性和应用广泛性等问题，最后展望了该技术在构建高效微生物细胞工厂生产高附加值化合物的发展前景和创造更多适合生产高附加值产品的底盘生物的研究方向。
合成微生物群落属于合成生物学和微生物组学的交叉领域，是新兴的研究方向。合成微生物群落是人工合成的多个物种共培养的微生物体系，具有组成明确、可操控性高等特点，在研究微生物组的功能和生态机制方面有着明显的优势。本文将从以下几个方面介绍合成微生物群落的研究进展：①微生物群落生态学，包括微生物之间的相互作用、宿主和其他环境因素对群落结构的影响；②合成微生物群落的研究方法，围绕设计-构建-测试-学习循环；③合成微生物群落在多个领域的应用，包括人体疾病治疗、植物抗逆、工业生产、环境修复等多个领域。最后，提出了合成微生物群落领域有待解决的重要问题，包括如何构建可控和稳定的微生物互作网络、如何表征和控制微生物群落的空间结构以及如何精准地控制微生物群落的功能。
合成生物制造是以合成生物为工具进行物质加工与合成的生产方式，有望彻底变革未来医药、化工、食品、能源、材料、农业等传统模式，触发新的产业变革，引领新的产业模式和经济形态，重塑碳基物质文明。合成生物制造具有清洁、高效、可再生等特点，能够减少工业经济对生态环境的影响。本文综述了近年来合成生物制造在大宗发酵产品、精细与医药化学品、可再生化学品与聚合材料、天然产物、未来农产品以及一碳原料利用方面的重要进展，对各领域代表性重大产品的技术进展及产业应用状况与潜力进行了探讨。未来，随着合成生物学发展，以及与人工智能、大数据等新技术的融合，通过合成生物制造可以获得更多的生物基产品，促进生物经济形成，更好地服务于人类社会的可持续发展。
合成生物学研究对于我国绿色生物制造产业和可持续发展战略至关重要。启动子是合成生物学核心元件，是在转录水平上实现基因高效、精准表达调控的最关键因素之一。本文重点对原核微生物启动子工程研究的基本内容、研究进展及发展趋势进行了综述。首先概述了启动子序列基本特征及其受RNA聚合酶σ因子识别调控的一般规律；并以大肠杆菌乳糖操纵子为例简要介绍了诱导型启动子的负调控与正调控诱导机制。其次，分别从对靶基因自身内源启动子进行突变改造以及采用高效外源启动子进行替换改造这两个方面入手，阐述了启动子改造的常用策略。进一步对近年来公开报道的不同类型诱导型启动子进行了梳理，小结了代表性化学分子诱导剂以及物理信号诱导方式的种类及基本特征。简述了非模式和模式微生物组成型启动子的研究进展及研究侧重点。结合动态代谢调控技术及人工智能工具的突破性发展，提出具有动态调控功能的特殊启动子的发现与改造、全新性能启动子元件的人工智能设计与改造等将成为启动子工程研究的新方向与新前沿。最后分析了启动子工程领域存在的挑战性问题，展望了今后的研究重点，并结合合成生物学的发展，进一步强调了微生物启动子工程的重要作用。
蛋白质工程是合成生物学领域的重要研究方向之一。但目前人类对于蛋白质折叠、酶天然进化机制等基础生物学问题的理解仍很有限，因此基于理性设计方法进行蛋白质的功能从头设计（de novo design）仍然是一个难题。定向进化（directed evolution）通过在实验室模拟自然进化的原理，可以在不依赖结构和机制信息的基础上对蛋白质的功能进行有效优化。但是定向进化高度依赖高通量筛选方法，也限制了其对缺少高通量筛选方法的蛋白质进行改造的能力。近年来，人工智能辅助的蛋白质工程逐渐发展成为一种高效的蛋白质分子设计新策略，在蛋白质的结构预测、功能预测、溶解度预测和指导智能文库设计等多个方面显现出独特的优势，成为理性设计和定向进化之后的又一次技术发展的浪潮。本文综述了近年来人工智能辅助的蛋白质工程的应用进展，对其中的代表性工作进行了重点阐述。在简单介绍了人工智能蛋白质工程策略的原理和流程之后，对数据、分子描述符和人工智能算法等三个影响预测模型性能的关键点进行了分析，总结了该策略中的主要数据库、分子描述符和算法的主流工具包及平台，介绍了它们的功能、用途和网址。我们还对人工智能策略目前仍面临的不足进行了探讨，如高质量数据不足、实验数据存在偏差、缺少通用模型等。随着自动基因功能注释技术、超高通量筛选技术和人工智能算法的不断发展，将会给人工智能辅助的蛋白质工程提供足够的高质量数据和更准确的算法，从而不断提升人工智能辅助的蛋白质工程预测准确度，为合成生物学研究提供更大的助力。
随着全球环境污染加剧、气候持续变化和人口不断增长，如何保障安全、营养和可持续的食品供给面临巨大挑战。这些挑战对未来食品供给方式和功能提出了新的要求。采用合成生物学技术，创建适用于食品工业的细胞工厂，将可再生原料转化为重要食品组分、功能性食品添加剂和营养化学品是解决食品领域所面临问题的重要途径。本文首先介绍了合成生物学对食品制造领域创新和突破的重要性。其次，以基于合成生物学制造植物蛋白肉所需关键组分、黄酮类植物天然提取物和母乳寡糖这三种典型食品为例，探讨了目前食品合成生物学的任务与挑战。最后，对我国合成生物学与食品制造领域的发展趋势进行了总结和展望。通过加强食品合成生物学等具有重大意义的食品生物技术的开发和应用，开展新食品资源开发和高值利用、多样化食品生产方式变革、功能性食品添加剂和营养化学品制造，并率先实现产业化，将抢占世界科技的前沿和产业高地，造福人类。
倍半萜类化合物（sesquiterpenoids）α-新丁香三环烯（α-neoclovene）和β-石竹烯（β-caryophyllene）都是人参挥发油中的主要组成成分，不仅具有重要的药用开发价值，而且在高能量密度生物能源的开发中也受到关注。然而，它们在人参和其他植物中含量均十分稀少且难以分离纯化，其开发与应用研究严重滞后。本研究利用天然产物合成生物学的方法，以BY4742为出发菌株构建了高产倍半萜类化合物前体FPP的通用底盘菌株SQTBY03。在此底盘菌株中异源表达了密码子优化的植物内生真菌Hypoxylon sp. EC38来源的多产物倍半萜合酶元件基因ec38-cs和黄花蒿（Artemisia annua）来源的倍半萜合酶元件基因QHS1，分别构建了合成α-新丁香三环烯和β-石竹烯的两个倍半萜细胞工厂NCVBY01和CPLBY01。细胞工厂NCVBY01的主要倍半萜产物为α-新丁香三环烯（>39%），细胞工厂CPLBY01的主要产物为β-石竹烯（>96%）。它们的摇瓶发酵产量分别达到25.8 mg/L和250.4 mg/L。通过在1.3 L发酵罐中进行批次补料发酵，细胞工厂NCVBY01合成α-新丁香三环烯的产量达到了487.1 mg/L，为目前首次在微生物细胞工厂中合成α-新丁香三环烯；CPLBY01合成β-石竹烯的产量达到2949.1 mg/L，为目前报道的最高水平。上述研究成果为α-新丁香三环烯和β-石竹烯的规模化制备提供新的途径。
生物制造以人工生物体系为催化剂合成工业化学品、药物和功能材料，具有低碳循环、绿色清洁等特征。酶蛋白是构建生物催化系统的重要功能单元，然而，由于缺乏准确预测序列-功能关系的方法，目前酶的理性设计仍面临巨大挑战。因此，需要利用合成生物学工程化的思路和手段，从自然界中大规模挖掘新的酶蛋白元件，相关研究不但可以为开发工业酶制剂和构建细胞合成代谢提供优质元件，而且有利于快速获得酶蛋白序列-结构-功能间的对应关系，为建立预测与设计模型提供基础。本文针对酶元件工程化挖掘的关键技术进行综述：介绍了计算机辅助设计的算法和软件，用于将数据库中海量的酶蛋白序列按照实验目的进行聚类分析和优先化排序；总结了规模化合成组装、异源表达和功能筛选酶蛋白元件的高通量实验技术；讨论了如何综合利用计算与实验手段，系统性探索酶家族成员的催化性能。未来，通过综合计算机辅助设计、自动化合成生物构建、高通量测试等方法，设计和建设高度集成的工程化研究平台，成为实现对酶蛋白资源进行系统化的研究和挖掘的重要方向。
合成生物学研究本着师法自然、改造自然及超越自然的理念，其核心是通过人工方式将基因元件优化改造和重新组合，以得到满足需要的人工生物系统。获取性能优异的生物元件是构建和控制人工生物系统的基础。近年来，人工生物分子在代谢工程和基因治疗等领域有着广泛应用。如何在广袤的分子序列空间中高效地搜索与设计具有特定生物功能的分子序列，是合成生物学所面临的重要科学问题。伴随着人工智能技术的快速发展，智能算法在复杂生物特征的挖掘与生物分子的设计中表现出巨大潜力。本文从利用深度学习技术发掘的复杂特征规律为指导，智能化地探索新药物分子、核酸序列和蛋白质序列空间的角度出发，重点分析了深度生成式模型在不同人工生物序列设计中的应用特点。在此基础上，结合小分子化合物、核酸和蛋白质等生物分子设计的应用案例，总结分析了针对人工生物分子序列设计的定向寻优策略。为了对智能算法设计的分子进行评估，系统分析了不同领域中不同角度序列设计评估方案的特点，展望了人工生物序列智能设计的发展，需要充分考虑生物系统具有多层次间调控高度耦合的复杂特性，从系统角度对不同层次的生物序列进行优化设计，从而推动人工生物系统的智能适配与优化。
蛋白质计算设计是指通过计算理性地确定蛋白质的氨基酸序列，实现预设的结构和功能。蛋白质计算设计已逐渐形成了一套系统的方法，得到越来越多的实验验证。这些方法既可用于从头设计蛋白，也可以用于既有蛋白的理性改造，具有广泛应用前景，是合成生物学的重要使能技术之一。本文简要回顾蛋白质计算设计方法的历史，并从蛋白质能量计算方法、氨基酸序列自动优化、从头设计主链结构、设计新的分子间识别界面以及负设计等方面介绍蛋白质计算设计的基本方法和思路，还举例讨论了提高结构稳定性、构造新的分子界面等设计方法在酶、疫苗、自组装蛋白质材料等领域的应用，最后分析了蛋白质计算设计方法设计精度不足、难刻画极性相互作用的缺点以及需要考虑非水溶剂环境、界面设计优化等亟待解决的问题，展望了蛋白质计算设计方法未来在合成生物学领域如生物感受器、逻辑门设计等，医学领域如抗体、疫苗设计等的应用前景。
合成生物学以工程化的理念，通过标准化、自动化、智能化技术，对现有自然生物体系进行改造和优化，甚至从头设计创建具有特定功能的“人造生命”，正在彻底改变研究的理念和模式。本文从专利分析的角度，对合成生物学技术及其应用的发展历程进行了解析；通过典型企业的合成生物学产品开发及其对应技术的专利布局分析，梳理了合成生物学的主要技术模块及其应用领域；基于关键技术和应用专利的系统分析，初步构建了贯穿技术发展价值链的分解和综合的分析框架，从而将专利信息转化为竞争情报，阐明合成生物学全球竞争格局的特征，预测技术发展趋势，分析合成生物学发展对行业和社会的影响。最后，本文对合成生物学使能技术平台和工具的开发、标准必要专利的界定和使用、知识产权管理与产品准入的关系等进行了展望。
微生物细胞工厂作为一种可持续的生化反应器，被广泛应用于天然产物、药品、营养保健品等高附加值产物的生产中。为了使细胞工厂在生产过程中以最大的产量、产率和生产能力生产目标化合物，往往需要利用代谢工程方法对细胞工厂进行合理的改造和调控。以基因敲除和过表达为主要策略的静态调控不可避免地带来了细胞代谢流与能量流失衡、生长阻滞和毒性中间体积累等问题，限制了细胞工厂的生产能力、碳收率和产物产量。为了解决这一问题，构建调控元件并设计基因线路以精确调节物质流及能量流的动态调控策略被普遍应用于代谢工程领域，成为调控微生物细胞工厂的常用方法之一。本文依据不同动态调控策略的特点，将动态调控策略分为代谢物响应、群体感应响应、环境响应和蛋白质水平调控四种类型，重点介绍了各种调控元件的构建方法及其在代谢工程中的应用，分析了不同调控策略在工业化应用中面临的挑战。同时，指出了高通量筛选和蛋白质工程方法、计算机模拟和数学模型分析、耦合基因控制元件等方面的策略在解决动态调控工具响应阈值窄、调控范围有限等问题中的应用潜力。
得益于近年来系统生物学和分子生物学等多方面技术的发展，合成生物学的研究对象正逐步过渡到更为复杂的多细胞体系。因此植物合成生物学正成为合成生物学的“下一篇章”。植物拥有丰富的内膜系统和细胞器、高度特化的生物合成基因簇、精细的代谢调控网络，为开展相关研究提供了理想的模式体系。以植物为底盘的合成生物学研究，如设计检测环境变化的植物传感器、开发精准修饰的基因编辑技术、建立高效异源合成代谢途径等，不仅有助于人类加深对复杂生命运行规律的理解，还有望为解决农业生产、生物制药、能源环境等方面的困境与难题提供新策略，实现可持续发展。本文总结近期植物合成生物学在基础研究方面的进展，主要涉及元件的表征定量标准化、遗传装置的理性设计、使能技术的开发应用，还在此基础上回顾了该领域在农业和工业的实际应用，提出未来发展亟需解决的问题及延伸应用。
基因组是生命系统的指令中枢，对基因组的研究是生命科学的核心内容，基因组研究相关技术的开发是深化对基因组序列和功能认识的重要推动力量。通过基因组测序获取基因组全序列，通过人工诱变、定点编辑研究基因组局部序列的功能与调控，通过对基因组的从头设计与化学再造实现对生命性状的定制，是基因组研究的三个不同层面。从一代测序到三代测序，基因组“读”技术极大地降低了成本和难度，提升了速度和精准度，引领着复杂基因组、大型基因组从草图走向完成图时代。通过人工诱变、定点编辑等技术可以改变野生型基因组的局部序列，研究基因组序列的功能与调控。从人工诱变到定点编辑，从ZFN到CRISPR，基因组“改”技术在效率、适用对象和简便性上有了显著的提高，为“基因型-表型”研究提供了有力工具，精准编辑、高通量编辑逐步走向应用。通过对基因组的从头设计与化学再造，书写人工基因组，可以获得对基因组全局的系统认识，实现对生命性状的定制。从病毒基因组合成、细菌基因组合成到酵母基因组合成，再到国际基因组写计划，基因组“写”技术在适用对象上不断拓展，人工设计、化学再造正成为复杂生物学问题研究和已有性状优化、新性状引入的一把利器。本文主要综述了基因组测序（读）、基因组编辑（改）和基因组合成（写）技术的发展历程、各自的特征、目前的研究进展及在基因组研究方面的一些应用，并对近期相关技术的可能突破点进行了总结和展望。“读-改-写”技术互为支撑，推动基因组研究在致知和致用领域两面开花。
目前人类社会面临的两大挑战是如何实现非化石来源化学品和燃料的可持续生产以及如何应对大量二氧化碳排放造成的温室效应。第三代固碳生物炼制利用细胞工厂可将二氧化碳固定为一系列化学品和燃料，有望解决这一问题，从而建立以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济模式。构建可利用二氧化碳的细胞工厂是迈向建立第三代固碳生物炼制平台的重要一步。随着生命科学的飞速发展，越来越多的二氧化碳固定机制被揭示。为了提高固碳效率，研究人员利用合成生物学改造天然固碳途径，并在此基础上设计人工固碳途径，或引入新颖的能源供应模式，甚至使异养模式生物变为合成自养生物。本文将对上述领域进行总结，并讨论微生物固定二氧化碳的主要挑战及其未来前景。
