合成生物学是一门汇集生物学、基因组学、工程学和信息学等的交叉学科。它结合了生命科学观察分析的方法和工程学的设计思维，使人类得以通过工程方法，设计、改造，甚至从头合成具有特定功能的生物系统。

“Synthetic Biology”一词由法国物理化学家斯蒂芬·勒杜克于1911年在其所著的《生命的机理》一书中首次提出。但直到上世纪中期，合成生物学的理论和技术基础才逐步建立起来。

上世纪50年代DNA双螺旋结构发现后，遗传密码的破译、限制性内切酶的发现、PCR技术的发明等一系列重大分子生物学成就，催生了基因工程技术，也正式开启了合成生物学的大门。1980年，德国科学记者芭芭拉·霍博姆开始使用“合成生物学”这一概念来表述基因重组技术。

进入21世纪，合成生物学迎来迅速发展的时代。

◆2000年，美国科学家先后在大肠杆菌中利用基因元件构建“双稳态基因开关”“生物振荡器”和“逻辑线路”，标志着复杂合成生物学的正式开端。

◆2002年,美国纽约州立大学石溪分校维默尔团队通过化学合成病毒基因组获得了具有感染性的脊髓灰质炎病毒，这是人类历史上首个人工合成的生命体。

◆2003年，美国加州大学伯克利分校杰伊·D·科斯林团队在大肠杆菌中成功合成青蒿酸的前体物——青蒿二烯，开启了人造细胞工厂生产植物来源天然化合物的新时代。

◆2008年，美国科学家克雷格·文特尔领导的研究小组人工合成了生殖支原体的基因组DNA，这是第一个人工合成的原核生物基因组。

◆2009年，瑞士苏黎世联邦理工学院马丁·佛森格团队合成了一种可调的哺乳动物细胞振荡器，首次在哺乳动物细胞中实现了对基因表达的周期性控制。

◆2010年，美国科学家克雷格·文特尔团队成功合成仅由合成染色体控制的新支原体细胞，并宣布首个“人工合成基因组细胞”诞生。

◆2014年，美国斯克里普斯研究所罗梅斯伯格团队设计合成了一个非天然碱基配对X和Y,并将它们整合到大肠杆菌基因组。这意味着在控制条件下,未来的生命形式有无限种可能。同年，美、英、法等多国研究人员组成的科研小组首次合成人工真核生物染色体，并在酵母体内正常发挥功能。

◆2016年，世界首个人工合成的基因组细胞生物“辛西娅3.0”诞生。这种“最简生命”将成为未来人造生命的基石。同年，瑞士苏黎世联邦理工学院马丁·佛森格团队开发出虚拟人工胰岛细胞。

◆2017年，上海科学家人工合成4条酵母染色体，这是继合成原核生物染色体之后的又一里程碑式突破，开启了人类“设计生命、再造生命和重塑生命”的新纪元。

◆2018年，上海科学家将酿酒酵母的16条染色体融合为1条染色体，人工创造出了一种新型酵母，这是世界首例人造单染色体真核细胞。

◆2021年，上海科学家开发出新型光遗传学工具，在糖尿病小鼠身上实现光照降血糖。

作为21世纪生物学领域催动颠覆性创新和学科交叉融合的前沿代表，合成生物学受到从学界到资本的高度关注，各国相继出台相关政策与研究计划，推动合成生物学发展。在中国，上海、天津、深圳成为合成生物学发展重镇。

近年来，合成生物学及其应用已在深刻影响化工、食品、消费品、能源、医疗健康和农业等领域的发展，创造了巨大的社会和经济价值。麦肯锡全球研究院发布的一份研究报告指出，合成生物学技术在未来的一二十年中，每年将为全球带来至少2万亿美元的直接经济效益。

创新案例

智能细胞疗法

通过建立人工基因线路与定制化细胞，合成生物学已用于开发基于哺乳动物细胞和微生物细胞的细胞疗法，用于代谢性疾病和肿瘤等重大疾病的治疗。嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）免疫疗法通过对T细胞进行改造，使其专门识别体内肿瘤细胞，并通过免疫作用释放大量多种效应因子，从而达到清除肿瘤的疗效。有高科技企业开发的工程益生菌可在肠道内清除有害代谢物，缓解苯丙酮尿症等罕见代谢病。

RNA药物

RNA药物分为寡核苷酸药物和mRNA药物。在新冠疫情期间，mRNA技术在快速开发疫苗方面优势凸显。德国莫德纳公司开发的mRNA-1273在25天内完成了抗新冠病毒疫苗的序列设计和生产，并破纪录地用63天完成从序列设计到首个受试者给药。该疫苗于2020年底获得FDA紧急使用授权。

基因编辑

商用基因编辑技术主要包括锌指核酸酶、转录激活因子样效应核酸酶和定期聚集的短回文重复序列（CR ISPR）3种类型。2020年诺贝尔化学奖得主埃玛纽埃勒·沙尔庞捷等人创办的瑞士公司CR ISPR就将CR ISPR/Cas9基因编辑技术用于β地中海贫血、血友病、杜氏肌营养不良症、囊性纤维化等疾病治疗的应用研究。

微生物固氮

世界上已有农业合成生物技术公司研发出针对玉米作物的微生物固氮产品PROVEN——促使特定的微生物在作物根部释放氮。2020年，PROVEN被《自然》子刊评选为6种正在改变世界的合成生物学产品之一。目前，该微生物固氮产品使用面积已经达到25万英亩。