1 绪论
合成生物学（ synthetic biology）以生物科学为基础，会聚化学、物理、信息等学科，并借鉴工程学原理，设计改造天然的或合**的生物体系，揭示生命运行规律（造物致知），变革生物体系工程化应用（造物致用），因此又称为工程生物学（engineeringbiology）。合成生物学作为认识生命的“钥匙”、改变未来的颠覆性技术，打开了从非生命物质向生命物质转化的“大门”，实现了生命体系的理性设计与编辑，为生命科学研究提供了新范式，实现了生命体系的理性设计与编辑，迭代提升生物技术，驱动下一代生物制造与未来生物经济。
一百多年前，法国学者提出了人工模拟合成细胞的理念；20世纪中叶，美国和中国学者相继实现了DNA、RNA和蛋白质等生物大分子的人工体外合成；21世纪初，科学家成功利用生物元件在微生物细胞底盘内构建逻辑线路，引入工程学理念，开启了合成生物学新的进程。双稳态基因网络开关、基因振荡网络证明了复杂代谢调控的逻辑性、人工再设计的可实现性；基因组编辑、基因模块的挖掘与解析、生物体系的模拟与设计，丰富了合成生物学的底层技术；人工合成病毒、细菌及酵母等微生物的基因组，实现了大规模人工合成生命遗传物质的突破；简约基因组的开发为认识基因组功能和构建底盘细胞提供了新的思路；遗传密码子的拓展和含非天然氨基酸蛋白质的合成，开创了生命体的新形式及应用前景。
使能技术的系列突破，为解析生命运行规律提供了全新的手段，并加快了合成生物学的工程化应用。基于人工智能的蛋白质结构预测算法AlphaFold为蛋白质的从头设计提供了颠覆性的技术手段，展示了数据驱动范式在生命科学研究中的巨大潜力；基于数学物理模型解析生物网络拓扑结构与功能的定量关系，为理解与设计人工基因回路提供了理论框架；青蒿素前体、阿片等重要植物药物的酵母合成，昭示了天然产物人工高效合成的巨大潜力；二氧化碳转化为淀粉、葡萄糖和油脂等技术的出现，为二氧化碳的资源化、高值利用开辟了新的途径；生物基材料和原料的大规模合成，展示了绿色生物制造替代传统能源化工的巨大潜力；DNA存储、纳米生物器件、合成生物传感器等电子生命系统，正逐步从概念走进现实。
合成生物学创新应用向医学、工业、农业、能源、环境、材料、信息等领域的迅速拓展，加速传统制造业转型升级，加快助力合成生物学赋能下一代生物制造新质生产力，将在生物经济的振兴中发挥核心作用，为促进全球可持续发展提供全新的解决方案。
合成生物学的巨大潜力和广阔前景引起了世界各国的广泛关注，欧盟、美国、英国、加拿大、澳大利亚等相继发布合成生物学路线图及发展规划，例如，英国的《合成生物学路线图（2012）》，美国的《半导体合成生物学路线图（2018）》、《工程生物学：下一代生物经济的研究路线图（2019）》、《微生物组工程：下一代生物经济研究路线图（2020）》、《工程生物学与材料科学：跨学科创新研究路线图（2021）》、《气候与可持续发展的工程生物学研究路线图（2022）》，澳大利亚的《国家合成生物学路线图（2021）》，加拿大的《工程生物学白皮书（2020）》等。
中国高度重视合成生物学的发展。中国、美国和英国曾联合发起“三国六院”（科学院/工程院）合成生物学系列研讨会（2009～2011年），从科学、愿景、技术、平台、政策等方面全方位讨论了合成生物学的定位和发展目标。科学技术部从973计划前期布局到“十三五”重点专项的强化实施，以及“十四五”规划持续支持，极大地提升了中国合成生物学研究实力。国家发展和改革委员会、***、中国科学院及国家自然科学基金委员会等均着力布局合成生物学。深圳、天津、上海等地方政府通过设立专项研发计划、新型研究机构、人才培养载体、重大基础设施、产业发展基金等举措，积极推动合成生物学发展。
近十余年，中国的合成生物学发展已具备良好基础，成为国际合成生物学领域创新与应用的重要贡献者，在基础研究、技术创新和产业应用方面取得了一批重大成果。其中，真核生物酿酒酵母染色体的从头设计与化学合成、“16合1”酵母染色体的人工创建、二氧化碳到淀粉的体外从头合成、二氧化碳到葡萄糖和脂肪酸的胞内合成等4项研究相继入选年度中国十大科技进展新闻。
为促进合成生物学快速健康发展，中国生物工程学会牵头、合成生物学分会组织实施，会集中国合成生物学领域专家，开展“面向2030年的合成生物学发展战略研究”，形成《合成生物学路线图2030》。本书旨在梳理理论框架，完善合成生物学学科体系；开展技术预测，为合成生物学创新和应用提供参考；提升公众参与和认知，支持合成生物学创新发展。
本书包括理论框架、使能技术、应用展望及能力建设（3+1）四个部分。
理论框架包括两大部分：一是“合成生物学多尺度理论框架”；二是“合成生物学与人工智能”。使能技术重点凝练了12类技术方向，分别是：DNA测序、合成与组装；基因编辑；蛋白质设计；基因线路；底盘细胞；无细胞体系；人工多细胞体系；类器官工程；非天然编码与合成生物体系；生物-非生物杂合体系；生物自动化铸造工厂；元器件资源与信息平台。应用展望涵盖单细胞从头合成（造物致知），以及合成生物技术在工业、医药、农业、食品、环境、信息交叉等领域的应用（造物致用）两大部分。此外，合成生物学的发展需同步开展合成生物科技政策和伦理法规研究。保障能力建设提出建立一套符合科技发展规律和阶段性特点的伦理治理体系，健全高校、科研机构、企业、学会、协会、联盟，以及科研人员和社会公众等多方参与、协同共治的科技伦理治理机制，推动科技活动与科技伦理协调发展；与此同时，还应积极开展科技交流与合作，共同应对科技挑战，推进合成生物科技与产业高质量发展。
2 理论框架
合成生物学是一门新兴的交叉学科，基因线路改造及 DNA合成等工程技术驱动其初期的发展，但奠定此新兴学科的理论体系尚未形成，已发布的路线图中亦未体现理论框架。伴随着合成生物元件规模及应用场景的不断拓展，其内部运作及与环境和宿主互动的复杂度呈指数增加，给合成生物学可预测性设计（或称“理性设计”）带来重大挑战。理论框架的推进，将有力促成合成生物学与传统数理学科的会聚，突破更高效、更可控和更稳健的智能化生物系统构建的瓶颈，为工业化生产奠定基础。
当前，探索并定量评估生物功能模块（包括天然及人工合成模块）的工作机制和性能，并归纳成系统性设计原理，主要有两种研究方法：一是传统“定量生物学”方法，即通过定量表征组元和数理演绎建模的方法，构建知识驱动的“白箱”模型；二是从生物大数据出发，运用机器学习等“人工智能”方法加以统计归纳，构建数据驱动的“黑箱”模型。**类方法适合循序渐进地增加模块的复杂度并建立标准，而第二类方法则直接从大量案例提取生命过程内在的结构和关联，为构件设计提供方案。为促进下一阶段基础与应用研究的深度融合，中国组织了“定量合成生物学”香山科学会议（2021），已形成一些重要的思路和共识，将在本书中进一步梳理与展现。
本书的理论框架共包括两个部分。**部分聚焦基于“白箱”模型的理论展望和布局，针对产生特定功能的生命体系，建立对应的模型与理论，由简到繁实现生物系统的理性设计与精准合成这一工程目标。第二部分聚焦基于人工智能理论和技术推动的合成生物学研究，通过知识 -数据的深度融合，拓展合成生物模块的功能及应用场景。
合成生物学多尺度理论框架
编写人员 汤雷翰 刘陈立 傅雄飞 李雪飞
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