一.合成生物学概述

合成生物学是生物科学在二十一世纪刚刚出现的一个分支学科，是生物学、工程学、化学和信息技术等多学科交叉融合的一个新兴领域，这一技术的出现，为改造生物体提供了更大的可能。该技术以系统生物学知识为基础，融入工程学的模块化概念和系统设计理论，综合利用化学、信息科学、物理、生物科学等知识和技术，能够指导化学合成长的DNA片段，改进遗传进程，设计遗传途径，实现对生物系统的精确的控制。

合成生物学（synthetic biology）真正的起源可以追溯到1961年，Monod和Jacob提出细胞中存在调节通路使其得以对复杂环境变化产生响应。20世纪90年代，“组学” （omics）时代到来，人类基因组计划及此后兴起的一系列生命“组学”，从根本上提供了生物体和生命运动的“蓝图”乃至“程序”。在合成基因组方面，2002年，人类首次合成病毒。2010年，美国Craig Venter的实验室首次成功合成人工生命体，该实验的成功使“合成生物学”成为一个热门的名词。

二.合成生物学的神奇之处

合成生物学被认为是引领生物科技产业第三次革命并将推动第五次工业革命的新学科， 2019年5月20日，深圳市合成生物学创新研究院（以下简称合成院）在中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）揭牌，深圳先进院杰出客座教授基斯林院士再次刷新人类历史纪录：首次在微生物中合成大麻素及其相关衍生物。仅仅使用发酵罐，就能合成出需经过人工6个月才能种植提取出的大麻素，发挥其临床医用价值。

这一科研成果在国际顶尖学术期刊《自然》杂志上刊登。美国工程院院士、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物化学研究中心主任杰·基斯林（Jay D. Keasling）为文章通讯作者，深圳先进院合成所（筹）为通讯单位之一，文章第一作者为罗小舟博士。领域专家纷纷表示“这是合成生物学领域的又一重大突破”。

众所周知，大麻在世界范围内的种植和使用已有上千年的历史，人们对其主要活性分子大麻素类化合物中的个别分子已进行部分研究，发现部分大麻素具有有效的药用价值。据了解，目前国际上许多国家已经批准将大麻素类药物用于治疗癫痫、免疫性肝炎等部分罕见病；根据不完全统计，在美国，大麻二酚（简称CBD）含量的药用大麻每年至少造福了一万个家庭。

在国内工业大麻从种植大提取CBD，都是一个繁杂的过程，特别是种植难度上大，需要办理工业大麻种植许可证。“传统种植提取技术的局限性以及大麻素本身的药用价值都激发了我的探知欲。现在很多研究表明不同的大麻素潜在能用于治疗其它的疑难杂症，那样的话这项研究就具有重大意义了。而且，这项研究本身在我来看也十分有趣。”罗小舟说到。

“合成大麻素只是一项科学探究，未来在中国更多应用将是根据市场需求，用合成生物的手段，更高效率的发展应用。”基斯林院士如此说道。

三．合成生物学技术对未来农业的影响

为了满足2050年的全球人口需求，全球粮食产量需要增加70％。合成生物学将工程原理贯彻到生物系统中，有望突破传统农业瓶颈，带来产能和营养的突破性增长。

2019年12月德国杜塞尔多夫大学iGRAD植物研究所学者在Current Opinion in Biotechnology上发表一篇综述文章【论文ID：The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition】，讨论了合成生物学方法在提高农业生产力、食品质量、实现可持续、降低生产成本等方面的潜力。文章主要关注四种合成生物学策略：1）合成代谢途径来提高植物的碳利用效率；2）通过优化植物氮和磷的利用量来减少农业中的化肥使用量；3）改善农作物营养价值的工程策略；4）利用光合自养生物作为大规模生产平台。近年来，合成生物学方法在农业方面应用的研究进展如下表所示：

1合成代谢提高植物生长和农业产量

农业产量主要受三个主要因素的影响：光能捕获效率和光能转化为生物量的效率，以及收获指数--可收获器官所含植物生物量中总能量的比例。然而，由于光能捕获效率和收获指数已经达到其生物极限，转换效率仅为其理论最大值的20%，因此成了潜在的工程目标。然而，操作这些多成分性状仍然很繁琐。使用包括定制工程酶在内的新合成途径来优化和重新设计碳代谢是很有前景的方法。在计算机上准确、快速地预测整合在内源性代谢网络的合成代谢途径的行为，将有助于计划的实施，这得益于计算工具的最新发展。

我们在此讨论提高植物碳效率的三个主要目标：i)提高羧化效率，最小化ii)光呼吸和iii)呼吸CO2损失。

CO2固定酶核糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)多年来一直是工程研究的目标。然而，试图提高其活性和底物特异性以降低加氧酶活性的尝试未成功。相反，工程碳浓缩机制，如C4光合作用、类胡萝卜素或蓝细菌类的羧基体，目前优先用于提高羧化效率。除了Calvin-Benson-Bassham循环(CBBC)之外，探索相当激进的工程策略的目的是开发合成的、更有效的固定CO2固定途径。实现这一目标的第一步是构建一条完整的体外固定CO2的合成路线，即巴豆酰辅酶A(CoA)/乙基丙二酰辅酶A/羟丁酰辅酶A(CETCH)循环。需要进行广泛的计算分析，才能确定最有效的酶，从头进行工程改造，以有效地固定CO2，提高其活性并将其整合到包括前体和中间体在内的平衡网络中。考虑到所有这些限制，工程CETCH循环的最终版本产生了与CBBC相当的CO2固定率（5 nmol CO2 min mg 1与1-3 nmol CO2 min 1 mg 1）。

减少氯乙烯光呼吸道工程以减少光呼吸道CO2的损失已被证明是改善植物生长的合适方法。例如，在田间条件下，在两种酶(乙醇酸脱氢酶和苹果酸合酶)的表达下，乙醇酸被叶绿体氧化成两个CO2分子，导致烟草的生物量增加了40%。通过质体甘油酸酯/乙醇酸酯转运蛋白1(PLGG1)的RNA干扰抑制叶绿体乙醇酸输出的转录下调，改善了合成途径的表型效应。乙醇酸似乎是重新设计光呼吸最有前途的底物，没有副产物CO2和氨的释放(碳守恒的光呼吸)。最近，通过计算确定了乙醇酸转化为乙醇酰-CoA并重新同化为CBBC的CO2中性光呼吸合成旁路。动力学-化学计量模型支持这些途径对植物生长的影响。进行了将乙醇酸酯转化为乙醇酸CoA的乙醇酰-CoA合成酶和丙酰辅酶A还原酶的工程，以获得更高的乙醇酰-CoA选择性和NADPH特异性，并在体外证明了途径功能。

最后，由于高达60%的同化碳是通过呼吸作用损失的，最大限度地减少呼吸CO2的损失将是提高植物生产力的突破口。虽然在过去几年中，工程呼吸代谢一直被忽视，但最近确定了四个主要的操作目标以降低呼吸成本。这些措施包括：i)优化蛋白质周转，ii)重新设计呼吸代谢，iii)避免无效循环，iv)设计高效的离子转运。然而，这些方法的负面影响需要仔细评估。有关呼吸的工程策略的详细概述在中提供。

除了设计和实现植物中的合成代谢途径外，气孔动力学的控制和光保护的加速恢复也是当前关注的策略。

2减少农业肥料用量

（合成）肥料的大量使用（每公顷耕地140千克）维持了当今的西方农业生产力。在发展中国家，高成本造成了局限，普遍的低施肥率导致单产降低。但是，由于农作物的氮利用效率低、地下水污染、高耗能的化肥生产和有限的磷资源，目前的大量施肥做法是不可持续的。因此，提高植物养分利用效率、吸收或同化机制的策略是有必要的。

先前尝试提高植物氮和磷利用效率的成果有限，大多集中在对参与养分吸收、分配、新陈代谢或转录调控的单个成分进行遗传修饰。可以通过区分养分吸收和养分利用来克服当前的局限性。

在减少氮肥方面有前景的努力涉及复杂的合成生物学策略，用于将固氮酶工程应用到植物中，或者在主要农作物中建立共生固氮，否则只存在于豆类中。由于涉及大量的基因、氧敏感和金属辅助因子(铁和钼)，功能性多亚基固氮酶的实现具有挑战性。为了实现光合作用和N2固定的时空分离，建议将线粒体作为实现固氮酶的合适靶标。然而，如何实现正确的线粒体靶向、固氮酶亚基的功能性和固氮酶金属簇的组装仍有待分析。朝这个方向迈出的第一步包括在本氏烟草中瞬时表达和正确靶向16个固氮酶亚基蛋白。

另一种策略是在农作物中建立根瘤菌-豆类共生。这需要四个基因调控程序的协调工程：i)结瘤因子感知，ii)根瘤器官发生，iii)细菌感染，iv)在根瘤内建立固氮酶活性。

与前面提到的方法相比，自下而上构建合成植物微生物群是同时提高植物对氮和磷的利用率的一种合适的策略。理解植物微生物组的巨大努力集中在它的工程潜力上，可能很快会在这种合成联合体的普遍实施中得到体现。

植物微生物相互作用的建立依赖于植物激素。特别是在介导与丛枝菌根真菌和固氮菌共生的过程中，独脚金内酯起着至关重要的作用。设计有针对性和受调控的独脚金内酯分泌，或能够招募有用的微生物用于植物营养的代谢产物的生产和释放，可能是一种简单的改善营养的策略。

四.合成生物学在中国的发展及在雅拉至尊特种肥上的应用

1资助力度持续加大

我国国家自然科学基金委员会对合成生物学领域的资助始于2007年，至2016年已资助合成生物学相关项目121项，共计经费1.2亿元。在面上项目和创新研究群体项目中，均已投入3000～4000万元的资助。重点项目和国际（地区）合作与交流项目资助金额均已超过1000万元。

在973项目和863项目的支持下，主要开展的研究涉及微生物制造、肿瘤治疗和植物改造等。这些项目目前都取得了显著进展，达到国际领先或首创水平，完成产业转型变革。

2论文与专利发表数量日益增加

我国合成生物学论文的迅速增长期始于2010年，主要源于973和863等重大研究计划从2010年开始相继支持合成生物学研究。同时以“合成生物学”为主题的首届“中德前沿探索圆桌会议”2010年在中国科学院上海生命科学研究院开幕，标志着中国的合成生物学研究开始步入国际轨道。

在国家知识产权局的专利检索平台通过检索、人工判读的方式获得在我国国家知识产权局申请的合成生物学相关专利963件，1987年国家知识产权局开始有受理合成生物学专利申请，之后专利申请数量缓慢增长，直至2013年，专利申请数量达到峰值114件。

3研究成果形成突破性进展

目前我国科学家已人工合成16条真核生物酿酒酵母染色体中的4条，占国际已完成数量的66.7%。这意味着我国已经成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家，这不仅使我国在该领域形成了一系列人工合成的突破性技术和成果，也使我国进入了国际合成生物技术领域的第一梯队，由“跟跑”阶段进入“并跑”阶段。

江南大学食品科学与工程专业，2019-2020年软科世界一流学科连续两年排名世界第一。2020年6月29日，软科正式发布2020“软科世界一流学科排名”（ShanghaiRanking's Global Ranking of Academic Subjects）。2020年排名覆盖54个学科，涉及理学、工学、生命科学、医学和社会科学五大领域。此次排名的对象为全球4000余所大学，共有来自90个国家和地区的1800余所高校最终出现在各个学科的榜单上。“食品科学与工程”学科排名中，中国高校表现亮眼：江南大学、瓦格宁根大学和中国农业大学位列三甲，华南理工大学、南京农业大学和浙江大学分列第四至六位。

4、雅拉至尊使用江南大学合成生物学技术γ-氨基丁酸（GABA）

江南大学利用重组钝齿棒杆菌以葡萄糖为底物一步法合成γ-氨基丁酸的方法，属于合成生物学术领域，利用基因工程技术，构建安全高效的钝齿棒杆菌工程菌。该菌以葡萄糖为底物一步法合成γ-氨基丁酸的方法，属于基因工程和酶工程合成生物学技术领域，具体涉及基因工程重组钝齿棒杆菌生产γ-氨基丁酸的方法。

γ-氨基丁酸是天然存在于某些生物体内的非蛋白质氨基酸。在食品、饲料、医药等领域具有广泛的应用。2009年，卫生部批准γ-氨基丁酸为新资源食品，这意味着γ-氨基丁酸在国内市场跨入了一个崭新时代。作为肥料增效剂使用，γ-氨基丁酸在促进植物生长上具有显著的效果，特别是在逆境条件下肥效突出，提高植物在逆境下的抗性，改善植物生长。

γ-氨基丁酸能在植物体内同时发挥代谢与信号分子的双重作用，大幅提升作物对肥料养分吸收水平，雅拉至尊通过3年的田间试验和超过2年的市场推广应用表明，γ-氨基丁酸能够显著促进大量元素氮磷钾和中微量元素钙镁硼锌的吸收。作为三羧酸循环的另一个支路，相当于激活作物第二“大脑”，促进作物生长。γ-氨基丁酸还能诱导植物何晨乙烯，调节植物体pH值，调节植物细胞渗透压，增强抗高、低温抗早衰能力，提高作物抗病能力，参与植物防御系统。大幅提升作物收获品质。

参考文献资料：

1 合成生物学对未来农业的影响 CaSBIO 中科院生物科技战略情报 2019-12-27

2 合成生物学领域专利竞争态势分析 谢华玲 李东巧 迟培娟 杨艳萍 中国生物工程杂志 2019,39（4）