自21世纪初以来，合成生物学这一新兴领域便引起了全球的广泛关注。2004年，美国麻省理工学院（MIT）出版的《技术评论》杂志将合成生物学评选为将改变世界的十大技术之一。作为一门跨学科的新兴领域，合成生物学融合了生物学、基因组学、工程学以及信息学等多个学科的知识与技术。其核心目标是采用工程化的方法来设计、构建和优化标准化的生物部件和模块，以此改造现有的自然生物系统或创建全新的人造生命形式，从而赋予它们预定的功能。

合成生物学在多个领域都有广泛的应用前景，主要应用领域包括健康与医药、农业与食品、生物能源、环境保护等。随着技术的不断进步和应用范围的扩大，合成生物学有望在未来为人类社会带来更多创新和突破。

表1.合成生物学主要应用场景

数据来源：专家访谈；B Capital分析；BCG分析

合成生物学的生产流程

合成生物学产品生产的步骤主要分为四大板块：底盘细胞筛选、生产细胞构建、发酵生产、分离纯化。

01

筛选底盘细胞

底盘细胞是合成生物学生产的基础。目前，主要的底盘细胞体系包括细菌、真菌（酵母）以及动物和植物细胞。为了有效地表达内源或外源基因并产生所需的产物，通常会选择经过筛选的高产突变株作为待改造的底盘细胞。

02

生产细胞构建

随着分子生物学的不断进步，基于生物学知识的理性设计策略已广泛应用于细胞生产领域。特别是“DBTL”（设计-构建-测试-学习）循环方法，通过基因合成、基因编辑和细胞培养等技术手段，像搭积木一样去构建代谢通路，成功构建所需细胞，用于生产目标产品。

03

发酵生产和分离纯化

构建的生产细胞经过发酵生产和分离纯化即可得到理想的合成生物学产品。

图1. 合成生物学生产流程图（资料来源：华安证券研究所整理）

基因编辑在合成生物学中的应用

CRISPR基因编辑技术的基本原理已在前文“干货│基因编辑探秘系列之原理篇”“干货│基因编辑探秘系列之技术篇”中进行了详尽阐述。得益于其卓越的基因组编辑能力和简便的操作性，CRISPR技术在合成生物学系统改造与开发中扮演着关键角色，广泛应用于多个领域，如细胞治疗、植物基因改良以及微生物合成途径的基因编辑等。接下来，小编将以几个例子为大家讲述CRISPR技术在合成生物学中的应用。

01

CRISPR技术在微生物改造中的应用

微生物代谢产物丰富多样，包括众多天然产品。以丝状真菌为例，它们能合成抗生素、色素、酶及激素等多种物质，广泛应用于医药、化工、农业和基础生物学研究。目前，丝状真菌生产的酶占工业酶市场约50%。然而，丝状真菌遗传背景复杂，某些次级代谢产物仅在特定环境下产生，实验室标准条件下难以合成。CRISPR系统作为简便基因编辑工具，已用于多种丝状真菌基因编辑，如敲除天然代谢途径基因或在宿主细胞中表达异源基因，以优化天然产物合成、增强目标产物表达、减少或消除毒性产物，推动丝状真菌开发与应用。

图2. CRISPR技术在丝状真菌次级代谢产物合成中的应用[4]

黑麦麦角菌（Claviceps purpurea）所产麦角生物碱，能治疗偏头痛、高血压，并在产妇分娩后助子宫收缩，减少出血。研究者们巧妙将CRISPR/Cas9 RNP复合物和供体DNA（donor DNA），一同导入黑麦麦角菌的原生质体内部，针对与尿苷生物合成、菌丝形态学以及麦角生物碱产量等紧密相关的三个靶基因进行精准敲除。实验结果显示，这一基于体外预组装的CRISPR RNP策略，能够高效且精确地剔除麦角生物碱合成路径中的关键基因，有助于阐明麦角生物碱的生物合成途径，促进对麦角菌的代谢工程改造，提高麦角生物碱合成效率。

黑麦麦角菌CRISPR基因编辑流程

图3. 黑麦麦角菌CRISPR基因编辑流程^[5]

02

CRISPR基因编辑技术在植物细胞改造中的应用

合成生物学在微生物领域的应用前景极为广阔，尤其在满足环境改善需求和推动工业化生产方面展现出巨大潜力。然而，当选用微生物作为生产平台时，往往面临需大量消耗糖类资源（如葡萄糖）的挑战。此外，微生物在异源表达源自植物的代谢途径及调控酶（如细胞色素P450酶系）方面存在效率低下的问题。相比之下，植物能够直接利用大气中的二氧化碳作为碳源，合成所需化合物。鉴于植物与宿主之间拥有相似的细胞器、辅酶及辅助因子，这为直接将特定代谢路径转移至宿主植物并应用于生产提供了便利，且无需繁琐的优化过程。

随着植物合成生物学的快速发展，我们现能够通过精心设计与改造植物，以满足不断增长的各种需求。例如，可以开发多样化的生物传感器以实时监测细胞活动，通过精准改造提升作物产量与营养品质，或是生产植物天然产物及蛋白质。这些创新的工程应用不仅彰显了植物合成生物学的成熟度，更为其未来的蓬勃发展奠定了坚实基础。

图4. 植物合成生物学技术路线和应用^[7]

颠茄，作为人类常用的重要草本植物，能够孕育出众多生物碱（TAs），其中尤以莨菪碱（hyoscyamine）、山莨菪碱（anisodamine）及东莨菪碱（scopolamine）为代表。莨菪碱在治疗心律失常与有机磷中毒方面展现出独特疗效。而莨菪碱6β-羟化酶（H6H），一种具备双功能的双加氧酶，负责催化莨菪碱的6β-羟化过程，进而生成山莨菪碱，并最终通过环氧化作用将其转化为东莨菪碱。近期，科研人员巧妙运用CRISPR-Cas9技术，精准敲除了颠茄中的莨菪碱6β-羟化酶基因。这一举措不仅显著提升了颠茄植株中莨菪碱的含量，更彻底消除了山莨菪碱与东莨菪碱的存在，极大地简化了莨菪碱的提取流程，降低了生产成本。此研究成果预示着低成本生产莨菪碱的广阔前景，为医药领域带来了新的希望与可能。

图5. 莨菪碱6β-羟化酶（H6H）、莨菪碱6β-羟化酶基因结构及CRISPR/Cas9载体构建^[8]

合成生物学，这一颠覆性且前沿的技术领域，已迅速崛起成为新兴的黄金赛道。其中，CRISPR基因编辑技术作为其核心基石，正以前所未有的速度推动着整个领域的快速发展。由于其广泛的应用范围，我们无法在此一一列举，仅通过以上案例来展示其巨大的应用潜力。

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参考文献

[1] Tan X, Letendre JH, Collins JJ, Wong WW. Synthetic biology in the clinic: engineering vaccines, diagnostics, and therapeutics. Cell. 2021;184(4):881-898.

[2 Meng F, Ellis T. The second decade of synthetic biology: 2010-2020. Nat Commun. 2020;11(1):5174. Published 2020 Oct 14.

[3] Depil S, Duchateau P, Grupp SA, Mufti G, Poirot L. 'Off-the-shelf' allogeneic CAR T cells: development and challenges. Nat Rev Drug Discov. 2020;19(3):185-199.

[4] 林继聪, 邹根, 刘宏民, 魏勇军. CRISPR/Cas基因组编辑技术在丝状真菌次级代谢产物合成中的应用[J]. 合成生物学, 2023, 4(4): 738-755.

[5] Yu L, Xiao M, Zhu Z, et al. Efficient genome editing in Claviceps purpurea using a CRISPR/Cas9 ribonucleoprotein method. Synth Syst Biotechnol. 2022;7(2):664-670. Published 2022 Feb 16.

[6] Gao J, Xu J, Zuo Y, et al. Synthetic Biology Toolkit for Marker-Less Integration of Multigene Pathways into Pichia pastoris via CRISPR/Cas9. ACS Synth Biol. 2022;11(2):623-633.

[7] 张博, 马永硕, 尚轶, 黄三文. 植物合成生物学研究进展[J]. 合成生物学, 2020, 1(2): 121-140.

[8] Zeng L, Zhang Q, Jiang C, et al. Development of Atropa belladonna L. Plants with High-Yield Hyoscyamine and without Its Derivatives Using the CRISPR/Cas9 System. Int J Mol Sci. 2021;22(4):1731. Published 2021 Feb 9.

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