1.5.2　核心技術(shù)不斷升級(jí)

在生物元件和基因線路的設(shè)計(jì)構(gòu)建方面，自2000年人工合成首個(gè)生物開(kāi)關(guān)和壓縮振蕩子后，多種優(yōu)質(zhì)調(diào)控元件和更復(fù)雜的基因回路等相繼出現(xiàn)。隨著國(guó)際基因工程機(jī)器大賽舉辦以及合成生物學(xué)定義在國(guó)際范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可，許多令人驚嘆的科研成果橫空出世，元件和線路設(shè)計(jì)的里程碑式研究不斷出現(xiàn)，揭示了生物系統(tǒng)“有序性”的形成原理，為合成生物學(xué)家從頭設(shè)計(jì)復(fù)雜生命體系提供了重要理論指導(dǎo)。例如，基于共轉(zhuǎn)錄tRNA構(gòu)建出翻譯層面的AND邏輯門；群感系統(tǒng)被進(jìn)一步改造用于實(shí)現(xiàn)多細(xì)胞模式；感應(yīng)線路的開(kāi)發(fā)可以在細(xì)胞內(nèi)將光輸入轉(zhuǎn)化為基因表達(dá)。設(shè)計(jì)全新蛋白質(zhì)及其功能方向也不斷有新進(jìn)展。尤其是基于新一代人工智能系統(tǒng)精確預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，其準(zhǔn)確性已接近冷凍電子顯微鏡、X射線晶體學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，為全新蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

遺傳物質(zhì)的編輯、合成和組裝技術(shù)是合成生物學(xué)的基礎(chǔ)，因此基因編輯技術(shù)的發(fā)展能夠極大推進(jìn)合成生物學(xué)的廣泛應(yīng)用，同時(shí)合成生物學(xué)可以促進(jìn)現(xiàn)有的基因組編輯工具的優(yōu)化。從 2012 年起，科學(xué)家利用 CRISPR/Cas9系統(tǒng)的可編程和精準(zhǔn)切割等特點(diǎn)陸續(xù)開(kāi)發(fā)了一系列基因組編輯的工具，其宿主目前已經(jīng)覆蓋了從細(xì)菌到高等生物的范圍，在復(fù)雜基因線路設(shè)計(jì)、微生物基因組編輯等合成生物學(xué)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。例如，Wu等人在大腸桿菌中應(yīng)用CRISPRi系統(tǒng)對(duì)糖酵解途徑、TCA 循環(huán)、脂肪酸合成途徑進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了類黃酮的增產(chǎn)；利用合成生物學(xué)技術(shù)和CRISPR基因編輯技術(shù)，開(kāi)發(fā)了高適應(yīng)性、高敏感度的CRISPR分子診斷方法，針對(duì)多類病原的CRISPR分子診斷方法已進(jìn)入臨床研發(fā)階段。

合成生物學(xué)底盤(pán)細(xì)胞的改造與構(gòu)建，是實(shí)現(xiàn)“造物致知”和“造物致用”目標(biāo)的重要手段，也將為構(gòu)建細(xì)胞工廠提供優(yōu)良的底盤(pán)。英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究人員采用自下而上的策略設(shè)計(jì)了一種新型人造合成細(xì)胞，他們將大腸桿菌和銅綠假單胞菌兩種細(xì)菌菌落與微滴混合在黏稠的液體中，打破細(xì)菌膜，使細(xì)菌溢出其內(nèi)容物——這些內(nèi)容物被液滴捕獲以產(chǎn)生膜包被的原始細(xì)胞。研究人員已證實(shí)，這些細(xì)胞能夠進(jìn)行復(fù)雜的處理，例如通過(guò)糖酵解產(chǎn)生能量?jī)?chǔ)存分子腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），以及基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯。這是首次利用原核細(xì)胞構(gòu)建類真核細(xì)胞體系，對(duì)合成生物學(xué)具有很大的幫助。丹麥科技大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)56次基因編輯對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行基因工程改造（涉及 30 個(gè)合成步驟），以生物合成抗癌藥物長(zhǎng)春堿和長(zhǎng)春新堿，這是目前為止利用微生物作為細(xì)胞工廠進(jìn)行生物合成的最長(zhǎng)合成線路，未來(lái)可以作為一種生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)更多的生物分子。