摘要:近10年来，我国合成生物学领域得到了快速发展。为了集中报道本领域的最新研究进展，特组织出版了此合成生物学专刊。本专刊分3个栏目：科学意义、新技术新方法和应用领域，重点介绍了合成生物学的科学意义、技术方法进步 (基因组合成和基因编辑等) 及合成生物学在医学、药物、农业、材料、环境和能源等领域的应用前景。

摘要:合成生物学作为一门新兴的交叉学科，吸引了来自生物学、数理科学和工程学等不同学科的研究人员以及产业界的广泛关注和参与。它旨在通过从头创造全新的或改造已有的生物系统，实现天然生物系统不具备的功能与特性。合成生物学研究不仅具有广阔的生物产业应用前景，更为基础科研提供了全新的手段和思路。本文着眼于合成生物学“建物致知”的理念，跟踪合成生物学研究在回答生命科学基础问题方面取得的相关成果，简述了其在细胞内分子调控网络、细胞生理学、多细胞群体形态与行为、以及多物种微生态学等研究中的应用。

摘要:生命体系历经40多亿年的自然进化，创造了无数丰富多彩的功能基因，保障了生命体系的传承与繁荣。然而生命体系的自然进化历程极其缓慢，新的功能基因产生需要数百万年时间，无法满足快速发展的工业生产需求。利用合成生物学技术，研究人员可以依据已知的酶催化机理和蛋白质结构进行全新的基因设计与合成，按照工业生产需求快速创造全新的蛋白质催化剂，实现各种自然界生物无法催化的生物化学反应。尽管新基因设计技术展现了激动人心的应用前景，但是目前该技术还存在设计成功率不高、酶催化活性较低、合成成本较高等科技挑战。未来随着合成生物学技术的快速发展，设计、改造、合成和筛选等技术将融合为一体，为新基因设计与创建带来全新的发展机遇。

摘要:随着基因组相关技术 (测序、编辑、合成等) 和知识 (功能基因组学) 的日益成熟，合成基因组学在本世纪迎得了发展的契机。病毒、原核生物的全基因组相继被化学合成并支持生命的存活，第1个真核生物合成基因组计划已经完成过半，人类基因组编写计划提上日程。在基因组合成的实践过程中，研究者们不断探索对基因组进行重编和设计所应遵循的规则，提高从头合成、组装和替换基因组的技术手段。合成基因组在工业、环境、健康和基础研究领域有着广阔的应用前景，同时也带来了相应的伦理问题。结合在Sc2.0计划中的基因组合成研究和近期合成基因组学所取得的重大进展，本文综述了基因组设计和合成相关的科学、技术和伦理内容，并探讨了未来发展所面对的挑战。作为合成生物学最重要的领域之一，合成基因组学方兴未艾。

摘要:合成生物学作为一门新兴学科，其目标主要有两点：一是利用非天然的分子使其出现生命的现象，也就是“人造生命”；二是“改造生命”，比如利用一种生命体的元件 (或经过人工改造)，组装到另一个生命体中，使其产生特定功能。无论是哪种目的，对生命遗传物质DNA的操作都非常关键，其具体包括DNA的从头合成、组装和编辑等。同时，这些使能技术的进步也促进了合成生物学其他领域的发展。本文介绍了DNA操作相关的合成生物学使能技术的最新进展。

摘要:CRISPR/Cas系统几乎存在于所有的细菌和古菌中，是用来抵御外来病毒和噬菌体入侵的获得性免疫防御机制。2012年起CRISPR/Cas9被改造为基因编辑工具，并衍生出一系列高效、便捷的基因编辑工具，迅速在基础理论、基因诊断和临床治疗等研究领域中得到广泛应用。然而，CRISPR/Cas9也存在细胞毒性、脱靶效应和基因插入困难等一些亟待解决的问题，在一定程度上限制了CRISPR/Cas9的应用。Cpf1是2015年报道的一种新型CRISPR效应蛋白，具有许多与Cas9不同的特性，有利于克服CRISPR/Cas9应用中的一些限制。本文综述了近两年来对CRISPR/Cpf1的研究进展和应用，并对其应用前景和发展方向进行了展望。

摘要:随着合成基因线路规模的增加，传统的合成基因线路设计思路的瓶颈逐渐凸显，许多之前被忽略的因素对大规模基因线路的性能可能造成显著影响，这对合成基因线路的设计带来了新的挑战。本文重点梳理了基因表达噪声和竞争效应两方面对基因线路性能的影响，阐释了二者间的紧密联系，并基于理性设计的思路，从模拟-数字运算设计、网络拓扑设计、基因线路中的信息传递理论和动态信号等方面，归纳总结了解决这些问题的潜在方案，并展望了规模化合成基因线路理性设计的未来发展方向。

摘要:细胞信号网络是细胞应对环境变化、调控细胞功能以及决定细胞命运的中央处理器。运用合成生物学方法，人工设计细胞信号网络对于“细胞机器”的构建具有重要作用。信号网络通过编码定量的动力学信号，能够在多个维度对细胞工程中的多个子功能单元进行调控。本文介绍了天然信号网络的动力学功能的研究进展，阐述了基于信号网络的功能蛋白质设计的合成生物学相关的方法和思路，并展望了信号网络在下一代合成生物学中的战略意义。

摘要:按照工程学原理人工设计的基因元件应该是模块化的，同时具备可预测地组装和再利用的属性。然而，真正的细胞生理条件下各种层次的生理干涉效应会严重地阻碍人工基因元件的功能性组装，即大多数组装后的人工系统完全或部分丧失预设功能。我们提出合成生理学的概念，将其定义为研究和控制人工生命系统与底盘细胞生理系统相互作用的合成生物学分支领域。在此框架下，本文归纳了细胞生理系统与人工基因元件的相互干涉方式，并对表征和消除这种相互作用的技术方法和设计策略进行综述。

摘要:生物体通过指导的自组装合成种类繁多、功能特异的天然纳米结构，它们在生命过程中扮演重要角色。按照自组装体的维度，可以分为线状 (一维)、层状 (二维)、笼状 (三维) 生物纳米结构。通过设计，这些生物大分子纳米结构可在细胞“工厂”中重组制备，且可通过合成生物学技术对其组装和功能化进行理性设计和调控，成为功能性纳米器件。这类纳米生物结构和器件已经在生物传感、催化、肿瘤热疗、药物递送、组织工程、生物电池等领域获得展示或应用。相关研究正在成为合成生物学和纳米生物学的一个交叉领域，受到关注。

摘要:合成生物学旨在建立一套完整的工程理论和方法，通过设计和组装基本生物学元件，更为有效地实现复杂生物系统的设计，并使其完成可编程的生物学功能。近年来随着可编程基因组元件的出现，特别是CRISPR和CRISPRi技术平台的建立和完善，使得合成生物学进入了一个全新发展的时期。本文重点综述CRISPR等基因组编辑和调控技术，其在构建可编程生物学元件和复杂基因线路的应用以及合成生物学在医学中 (称为医学合成生物学) 的发展前景。

摘要:虽然合成生物学还处于早期研究阶段，但最近十年，该领域取得了非常显著的研究进展。合成生物学是以工程学思想为基础，通过人工设计、改造基因线路，从而赋予细胞或生物体新的功能，现已广泛应用于各个领域。随着人们对基因线路设计的深入研究，使得合成生物学研究走向临床应用成为可能。本文将围绕哺乳动物合成生物学在疾病治疗方面的研究进展，介绍基因线路的设计思路和方法、不同诱导因子调控的开环式基因线路以及用于疾病诊疗的闭环式基因环路在生物医学领域的应用。最后对合成生物学走向临床治疗的应用前景和挑战进行展望。

摘要:合成生物学自诞生以来对生物学领域的研究产生了重要的影响。利用工程学思维与方法，合成生物学揭开了生命系统许多调控机制，改造并扩展了一系列生物元件，同时带来了广泛的生物医学应用，为疾病诊断与治疗提供了新的思路。本文综述了适用于哺乳动物细胞或者细菌的合成基因线路并用于疾病诊断与治疗领域的最新进展，为未来智能药物设计提供新的思路。

摘要:胰岛素原 (Proinsulin，Pins) 是胰岛素的合成前体。在大肠杆菌表达系统中，其一般以包涵体的形式存在，需要经过变性复性等后续加工过程才能得到有活性的胰岛素。而无细胞蛋白合成体系 (Cell-free protein synthesis，CFPS) 作为一种新型体外蛋白合成手段，突破了细胞的生理限制，已成功应用于多种重组蛋白药物的生产。为了探索胰岛素合成的新方法以满足其在新型给药途径研发中的需求，本研究运用CFPS体系进行胰岛素原的可溶性表达。通过将胰岛素原与荧光蛋白进行融合来增加其可溶性，成功在CFPS体系中表达了胰岛素原融合蛋白。最后使用Western blotting对融合红色荧光蛋白的胰岛素原 (Pins-mCherry) 进行鉴定，利用酶标仪对融合绿色荧光蛋白的胰岛素原 (Pins-eGFP) 在上清中的表达进行定量分析，结果表明Pins-eGFP部分可溶，其表达量为 (12.28±3.45) μg/mL。本研究首次实现了融合胰岛素原在CFPS系统中的可溶性表达，其融合荧光蛋白的策略显著提升了胰岛素原的可溶性，该结果为探究胰岛素合成新方法及开发基于CFPS系统的新型胰岛素给药途径奠定了基础。

摘要:经过近十年的发展，合成生物学研究的对象从单细胞的生物元件和装置的研究，逐渐过渡到多细胞的复杂体系。植物合成生物学被称为合成生物学研究的“下一篇章”。从复杂而多样的植物代谢切入进行植物合成生物学研究，有助于人类在更复杂的层面上理解生命运行的本质规律，及更深入地认知复杂人造生命的设计和构建的科学及工程原理；也有望在药用植物活性代谢物的合成生物学设计和创新生产方面实现突破。本文综述了该领域的国内外进展，并提出新本草计划的研究设想，通过基于合成生物学的药用植物活性代谢物研究，使数千年传统的本草学研究焕发新生。

摘要:我国人口增多与耕地面积减少的矛盾日益突出，粮食安全已成为我国国民经济可持续发展的重要保障。光合作用是作物产量形成的物质基础，提高作物光能利用效率是提高作物产量的重要途径之一。本文从光合作用过程中光能高效吸收、传递与转化，光能高效利用和碳同化等三大模块综述了近期科学家利用合成生物学对光合作用改造的最新进展。最后我们对其在农业中的应用前景进行了展望，通过合成生物学原理提高光合作用效率可能将为增加粮食产量提供重要理论支撑和关键生物技术。

摘要:材料是人类赖以生存与发展的物质基础，科技和社会的进步都离不开材料技术的发展，未来先进材料的合成和制备必然朝着绿色可持续、低耗高产出、精细可调控、高效多功能的方向发展。以“基因调控·工程设计”为核心的合成生物学技术从分子、细胞层面极大地推动了生命科学的发展，也已经并继续为材料科学的发展注入新的思路和活力。本文将围绕合成生物学技术在材料科学中的应用，以基因回路设计为核心，概念应用为线索，重点介绍合成生物学技术在高分子生物材料和无机纳米材料领域的开发和生产，细胞展示和蛋白定向进化战略对分子材料的筛选和优化，“活体”功能材料、工程菌调节的人工光合系统功能材料体系以及基因回路在材料科学中的应用。

摘要:环境问题是21世纪人类面临的最严重的挑战。随着现代工农业飞速发展，生态环境日益恶化，难降解污染物如新兴污染物逐渐显现，已成为制约社会经济可持续发展的重要因素。微生物具有强大的环境修复能力，但是其进化速度远不及新兴污染物出现的速度，亟需应用合成生物学的技术来解决这一难题。在充分认识难降解有机污染物微生物降解 (途径) 特性的基础上，利用我国丰富的微生物与基因资源，运用合成生物学的手段，定向设计和改造现有降解菌株，构建能够降解一种或多种污染物的工程菌株；同时针对复合型污染，如废水等，在建立典型有机污染物代谢、调控和抗逆相关基因元件的模块库基础上，引入人工菌群等策略，对生物系统进行理性设计和组装，构建典型环境污染物的高效降解菌群，可有效促进我国新兴污染物微生物分解代谢的研究，为环境修复的工程应用提供技术支持。

摘要:电活性微生物 (产电微生物和亲电微生物) 通过与外界环境进行双向电子和能量传递来实现多种微生物电催化过程 (包括微生物燃料电池、微生物电解电池、微生物电催化等)，从而实现在环境、能源领域的广泛应用，并为开发有效且可持续性生产新能源或大宗精细化学品的工艺提供了新机会。但是，电活性微生物的胞外电子传递效率比较低，这已经成为限制微生物电催化系统在工业应用中的主要瓶颈。以下综述了近年来利用合成生物学改造电活性微生物的相关研究成果，阐明了合成生物学如何用于打破电活性微生物胞外电子传递途径低效率的瓶颈，从而实现电活性微生物与环境的高效电子传递和能量交换，推动电活性微生物电催化系统的实用化进程。

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