引领生物科技新方向！深圳科学家提出“定量合成生物学”新范式

近日，中国科学院深圳先进技术研究院（深圳先进院）研究员、“鹏城优才卡”持卡人刘陈立与中国科学院分子植物科学卓越创新中心赵国屏院士，在Nature Reviews Bioengineering《自然综述：生物工程》杂志上发表了题为“Quantitative Synthetic Biology”的评述文章，在国际上首次系统阐释了“定量合成生物学”这一新兴领域的研究范式与学科内涵，为解决合成生物学中的“理性设计”瓶颈问题提供了新思路。

合成生物学的现状与挑战：亟须理性设计

合成生物学，作为驱动生物制造与生物经济迈向新纪元的强大动力，近二十年来取得了显著进展。尽管DNA合成与基因编辑等技术的飞速发展极大地增强了构建合成生物系统的能力，但当前的设计能力仍面临严峻挑战，难以充分驾驭生物系统的复杂性与不确定性。

即便已知各个生物元件的单独功能，它们组合后的系统行为往往难以预测，导致预期功能难以实现，这成为制约合成生物学深入发展的瓶颈。

目前，合成生物系统的构建过程多依赖于繁琐的人工试错，这种方法耗时长、效率低，严重阻碍了合成生物学的快速进步。因此，提升理性设计能力，实现设计与合成能力的紧密协同，成为合成生物学领域亟待解决的关键问题。

理想的状态是，设计能为合成提供明确的蓝图，而合成则验证设计的可行性，二者通过“设计－合成－测试－反馈”的循环机制不断优化，从而高效、可靠地构建出更加复杂精细的生物系统。

为此，合成生物学亟须发展一套更为完善、定量化的理论与方法体系，以支撑生物系统的理性设计。

定量合成生物学的提出：破解复杂性挑战

针对这一挑战，该评述文章提出了“定量合成生物学”的新范式，旨在通过定量预测和精准设计，提高合成生物系统的构建效率与成功率。文章总结了三种实现理性设计的研究范式：

定量合成生物学的三种研究范式

一是基于原理的设计：通过建立数理模型，对生物系统的内部机制进行抽象，探索功能产生的原理，进而设计具体的生物元件和系统。这种“自上而下”的范式在简单生物功能的设计中已取得显著成效。

二是自下而上的设计：针对复杂生命功能，通过反复试错，尝试不同的元件组装方式，探索可能的功能。在发现预期功能后，再建立数理模型，验证并阐明其功能产生的原理。这一范式不仅提升了合成生物系统的设计效率，还能发现新的生命原理。

三是人工智能（AI）辅助的设计：利用AI算法，基于大数据寻找元件与功能之间的隐藏规律，预测并设计产生特定功能的元件组合。这一范式依赖于高质量的标准化数据，将推动自动化生物铸造厂的建设与发展。

该文章强调，定量合成生物学的发展将推动合成生物学从定性、描述性、局部性的研究向定量、理论化和系统化的变革。通过建立可定量预测生物系统的数理或AI模型，指导合成生物系统的设计与构建，将显著提升生物系统的理性设计能力，加速生物制造与生物经济的发展。

此外，定量合成生物学还将增进人们对生命系统的基础认识，推动基础生命科学与合成生物学研究的深度融合，开启生命科学研究的新篇章。

引领定量合成生物学发展，生物科技迈向新高度

据了解，2017年，中国科学院深圳先进技术研究院设立定量合成生物学研究中心，首次提出定量合成生物学这一交叉学科概念。

“发展定量合成生物学，将推动合成生物学从定性、描述性、局部性的研究，向定量、理论化和系统化的变革，从而使合成生物学不再仅仅作为一门工程技术性的学科，而是成为推动基础生物科学的重要力量。”刘陈立表示。

近年来，深圳先进院在定量合成生物学领域取得了显著进展。2017年，深圳先进院设立了定量合成生物学研究中心；2020年，该中心获批中国科学院定量工程生物学创新交叉团队和重点实验室；2023年，深圳先进院获批建设定量合成生物学重点实验室（中国科学院）。同时，国内外学术期刊也纷纷推出“定量合成生物学”专辑，国际科研机构也开始布局这一方向。

论文第一作者、深圳先进院副研究员罗楠表示：“合成生物学产业虽然展现出巨大发展潜力，吸引了资本的关注，但整体发展还处在一个早期阶段。提升理性设计能力是当务之急，也是国际共识。”

此次文章的发表，不仅为合成生物学的发展提供了新的理论框架和实践指导，也标志着我国在定量合成生物学领域迈出了坚实的一步。未来，随着定量合成生物学的不断发展，我国将在生物科技领域发挥更加重要的作用，推动全球生物经济的繁荣发展。

据悉，中国科学院深圳先进技术研究院刘陈立研究员与中国科学院分子植物科学卓越创新中心赵国屏研究员为本文的共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院刘陈立课题组副研究员罗楠为第一作者。本工作获得了国家自然科学基金多个项目的经费支持。

编辑 高原 审读 郭建华 二审 关越 三审 万晖