關(guān)鍵詞： 合成生物學(xué)；高分子材料；醫(yī)藥；食品；能源

中圖分類號(hào)： Q819 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

合成生物學(xué)以應(yīng)用性為導(dǎo)向、工程化為理念，對(duì)具體生命過程及體系進(jìn)行全視角、多維度研究，被譽(yù)為繼“DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)”和“人類基因組計(jì)劃”的第三次生物技術(shù)革命。它一般通過“自下而上”和“自上而下”兩條途徑進(jìn)行合成，應(yīng)用廣泛涉及到醫(yī)藥、健康、環(huán)境以及能源等領(lǐng)域，已經(jīng)逐步發(fā)展為人類健康和生命科學(xué)集成式發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。本文綜述了合成生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)程，并通過探討其在各個(gè)領(lǐng)域的最新研究成果，揭示了合成生物學(xué)如何通過基因編輯高效制備功能性材料，從而解決了傳統(tǒng)方法面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文旨在為合成生物學(xué)的研究和應(yīng)用提供有價(jià)值的見解，為未來合成生物學(xué)的研究提供借鑒。

1 發(fā)展進(jìn)程

上世紀(jì)初，法國(guó)生物學(xué)家勒迪克首次提出“合成生物學(xué)”一詞，但是由于認(rèn)知和科技水平的局限性，當(dāng)時(shí)的合成生物學(xué)并未得到發(fā)展。直到2000年，在大腸桿菌中利用基因元件構(gòu)建“邏輯線路”，正式確立了合成生物學(xué)的開端[1-3]。2003年，采用異源基因元件在大腸桿菌底盤細(xì)胞中構(gòu)建青蒿素前體合成線路的成功[4]，標(biāo)志著合成生物學(xué)領(lǐng)域特征的研究手段和理論基本形成。隨著化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算科學(xué)的進(jìn)步，特別是基因組編輯技術(shù)突飛猛進(jìn)[5]，人們?cè)谠O(shè)計(jì)、構(gòu)建、測(cè)序和學(xué)習(xí)DNA遺傳元件上變得比以往更加高效，合成生物學(xué)因此取得了重大突破（圖1）。2010 年，克雷格·文特爾課題組[6] 用合成生物學(xué)的方法制備了生命體“辛西婭”，為真正自下而上設(shè)計(jì)生命奠定了基礎(chǔ)，也使合成生物學(xué)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段。2018年，我國(guó)覃重軍課題組[7]用基因編輯的方法，將釀酒酵母中16條天然染色體合成為1 條，創(chuàng)建了國(guó)際首例人造單染色體真核細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)“人造生命”的重大突破（圖2）。2019年，Chin 團(tuán)隊(duì)[8] 人工合成并替換了全部的大腸桿菌基因成功構(gòu)建一株只有61 個(gè)密碼子的大腸桿菌，為重編碼多種非標(biāo)準(zhǔn)氨基酸奠定了基礎(chǔ)。2021年，AlphaFold 模型[9] 的建立大大加速蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)破解進(jìn)程，是AI 在生命科學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展，其預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)已達(dá)到原子精度，可與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)構(gòu)相吻合。然而，合成生物學(xué)由于影響因素眾多，理性設(shè)計(jì)十分困難。為了實(shí)現(xiàn)合成生物學(xué)的“可預(yù)測(cè)性”設(shè)計(jì)，解決合成過程中影響因素過多的問題，就必須建立定量關(guān)系、發(fā)展定量理論。2021年，在北京香山召開的以“定量合成生物學(xué)”為主題的學(xué)術(shù)討論會(huì)（香山科學(xué)會(huì)議第S64 次學(xué)術(shù)討論會(huì)） 將定量合成生物學(xué)作為定量生物學(xué)和合成生物學(xué)的交叉學(xué)科被正式提出。利用人工智能可以代替人為想法，重新優(yōu)化和創(chuàng)造途徑，設(shè)計(jì)出全新的反應(yīng)和合成路徑，并且可以進(jìn)行自動(dòng)化試錯(cuò)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的定量表征，有望更好實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)生命、合成生命的重大目標(biāo)[10]。2021 年，Ellis 等[11] 提出了10項(xiàng)在未來具有發(fā)展?jié)摿Φ暮铣缮飳W(xué)研究領(lǐng)域，包括制造人造細(xì)胞、全細(xì)胞模擬物和多細(xì)胞系統(tǒng)等在內(nèi)的工程項(xiàng)目以及使用自動(dòng)化、機(jī)器學(xué)習(xí)和精確控制進(jìn)化的工程生物學(xué)新方法，明確了目前合成生物學(xué)存在的不足，并探討了合成生物學(xué)未來發(fā)展的方向。

人造細(xì)胞是合成生物學(xué)中的一個(gè)重要研究方向，指通過“自下而上”的方法重建細(xì)胞或類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的功能仿生。構(gòu)建人造細(xì)胞往往需要制備人工細(xì)胞膜和類細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，而且所制備的人工細(xì)胞應(yīng)當(dāng)具有自我復(fù)制能力。細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能在細(xì)胞的形成中起著重要作用，然而由于細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，直接研究細(xì)胞膜的活動(dòng)非常困難。本課題組提出了以聚合物囊泡為模型膜，通過研究聚合物囊泡的刺激響應(yīng)性變形過程來模擬天然細(xì)胞的生命運(yùn)動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了仿細(xì)胞融合[12]、分裂[13]、聚集[14] 以及自振蕩過程[15]。相關(guān)研究工作有助于更好地了解自然細(xì)胞的工作原理，為人造細(xì)胞研究提供了新思路。

2 應(yīng)用領(lǐng)域

全球氣候變暖以及不可再生資源過度開采破壞了生態(tài)平衡，使人類的生存環(huán)境受到威脅。在可持續(xù)發(fā)展的大勢(shì)下，綠色低碳技術(shù)迎來巨大發(fā)展機(jī)遇?！堵?lián)合國(guó)氣候變化框架公約》（UNFCCC）簽訂至今，已有中國(guó)、美國(guó)、日本、印度、俄羅斯、歐盟等50 多個(gè)國(guó)家或地區(qū)相繼宣布在2060 年前后實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。作為21世紀(jì)生物學(xué)的新興學(xué)科，合成生物學(xué)給生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶來了巨大變革，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)手段，引起科學(xué)界和政府的高度重視。目前，合成生物技術(shù)已經(jīng)在高分子材料領(lǐng)域、化工領(lǐng)域、生物醫(yī)藥領(lǐng)域、食品領(lǐng)域以及能源領(lǐng)域取得重要研究成果。

2.1 高分子材料

合成生物學(xué)為高分子材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。將合成生物學(xué)應(yīng)用到高分子材料的合成可以直接獲得具有獨(dú)特性質(zhì)且用化工手段難以合成的大分子材料，例如利用細(xì)菌自身的代謝通路可以直接進(jìn)行高分子材料的合成。許平課題組[16] 利用藍(lán)藻細(xì)胞做底盤細(xì)胞，以二氧化碳為原料，直接合成可降解的聚乳酸。這項(xiàng)研究可解決塑料污染問題，而且在減碳的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高值產(chǎn)品的制造（圖3）。陳國(guó)強(qiáng)課題組[17] 通過改造細(xì)菌β-氧化途徑，成功提升了聚羥基脂肪酸酯的產(chǎn)量和性能。Rawson 課題組[18] 利用細(xì)菌的代謝過程發(fā)展了細(xì)菌介導(dǎo)的鐵催化可逆失活自由基聚合（RDRP），提供了一種細(xì)菌在“宿主”細(xì)胞中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)生成“人造”聚合物的方法，建立了制備天然-合成生物高分子雜化材料的可能性。

合成生物學(xué)不僅可以制造出已存在的物質(zhì)，而且可以創(chuàng)造出具有獨(dú)特性能的全新物質(zhì)，如通過基因模塊化進(jìn)行材料的理性設(shè)計(jì)。Lu 等[19] 借助合成生物學(xué)技術(shù)將大腸桿菌生物膜的主要結(jié)構(gòu)蛋白（CsgA）和貽貝的主要黏合蛋白（Mgfp3/5）進(jìn)行融合表達(dá)，該融合蛋白同時(shí)具有內(nèi)在黏合性與界面黏合性，展現(xiàn)出強(qiáng)大的水下黏合特性。張福中等[20] 在前期研究淀粉樣蛛絲聚合蛋白的基礎(chǔ)上，用微生物對(duì)單體分子進(jìn)行聚合生產(chǎn)高分子量的肌動(dòng)蛋白，并將其紡織成纖維，其出色的力學(xué)性能超過了大部分人工合成材料以及天然材料[21]（圖4）。吳俊俊等[22] 研究了一種通用性蛋白自組裝方法，將來源于酵母的短肽與重組蛋白相融合，可使得任意重組蛋白自組裝成為具有超分子結(jié)構(gòu)的納米短肽，進(jìn)而形成同時(shí)具有大分子透明質(zhì)酸、膠原蛋白、彈性蛋白、貽貝蛋白等各個(gè)明星分子特性的超分子水凝膠[23]。

利用合成生物學(xué)也可以獲得用于聚合的單體分子，聚合后得到性能出色的聚合物[24]。Kaneko 課題組[25]對(duì)大腸桿菌進(jìn)行基因重組，再利用它使糖分發(fā)酵，利用生物方法制造出“4-氨基肉桂酸”，再通過聚合制成聚酰胺薄膜。這種薄膜難以燃燒，能夠耐受390～425 ℃ 的高溫。Helms 課題組[26] 對(duì)大腸桿菌進(jìn)行改造，使其將植物中的糖轉(zhuǎn)化為三乙酸內(nèi)酯（TAL）分子，然后將TAL 分子與其他分子共聚得到聚二酮烯胺塑料。由于原料為可再生資源，與傳統(tǒng)的塑料制作方法相比更加環(huán)保。目前人們對(duì)微生物的很多代謝通路和調(diào)控機(jī)制尚不清晰，對(duì)材料的設(shè)計(jì)途徑受到一定的限制，未來可以利用合成生物學(xué)進(jìn)行更復(fù)雜高分子的設(shè)計(jì)合成，精確調(diào)控材料的尺寸、形貌以及化學(xué)組成，從而探索出功能優(yōu)異的新材料。

2.2 化工

隨著資源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出，采用可再生生物質(zhì)或經(jīng)由生物制造得到的原料，通過生物、化學(xué)、物理等手段制造的一類新型材料是必由之路。以淀粉、秸稈等生物質(zhì)資源為原料，能在很大程度上改善環(huán)境污染問題甚至實(shí)現(xiàn)“負(fù)碳”。合成生物學(xué)在生物基材料的制備方面具有重大優(yōu)勢(shì)。通過合成生物學(xué)重構(gòu)遺傳路線與代謝途徑，高效轉(zhuǎn)化碳元素進(jìn)行基本原料的生物合成，如利用可再生資源通過細(xì)胞工廠合成具有多種用途的有機(jī)小分子單體（丁二酸、D-乳酸等）的技術(shù)已經(jīng)成熟。對(duì)微生物進(jìn)行改造，采用各種一碳化合物（CO、CO₂、CH₄、CH₃OH、HCOOH） 為原料合成多種化工原料[27-30]（圖5），可以降低現(xiàn)代化工對(duì)傳統(tǒng)化石資源的依賴，實(shí)現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展。聚酯、聚氨酯、聚酰胺等高分子化工材料合成所需的脂肪族二元胺也可以通過合成生物學(xué)的方法獲得。利用合成生物學(xué)策略對(duì)大腸桿菌、谷氨酸棒狀桿菌等菌株進(jìn)行改造，提升了生物合成二元胺的效率，為生物基二元胺的產(chǎn)業(yè)化提供可能。利用生物體也可以直接制備無機(jī)納米材料，Park 等[30] 用大腸桿菌合成鋅化鎘、硒化鎘等多種納米顆粒，通過改變金屬離子的初始加入量可以調(diào)節(jié)納米顆粒粒徑，且合成的納米顆粒具有優(yōu)良的物理、化學(xué)以及電學(xué)性能。

2.3 生物醫(yī)藥

生物醫(yī)藥是合成生物學(xué)應(yīng)用最多的領(lǐng)域，涉及細(xì)胞免疫療法、微生態(tài)療法、基因編輯、體外檢測(cè)和藥物成分生產(chǎn)等多方面。合成生物學(xué)的發(fā)展提高了藥物靶點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、藥物篩選以及后續(xù)藥效研究等階段的效率，革新了相關(guān)技術(shù)[31]。目前，合成生物學(xué)主要應(yīng)用在靶點(diǎn)尋找、藥物分子合成、制劑開發(fā)、毒理學(xué)等方面，極大加速了新藥研發(fā)進(jìn)程。天然產(chǎn)物的新藥研發(fā)一直是新藥研發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)[32]，但傳統(tǒng)的藥物研發(fā)周期過長(zhǎng)，研發(fā)速度跟不上疾病的發(fā)展進(jìn)程，比如從微生物中自然篩選出一種抗生物新藥平均需要超過10 年。相比而言，合成生物學(xué)對(duì)新藥的設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)，可以省去復(fù)雜的有機(jī)合成步驟并解決產(chǎn)物合成的手性選擇性問題，實(shí)現(xiàn)優(yōu)于或超越自然的設(shè)計(jì)。目前的成果集中在植物來源萜類化合物的生物合成方面，如青蒿素、紫杉醇、番茄紅素、銀杏內(nèi)酯等多種藥用活性成分。同時(shí)對(duì)同類藥物的合成基因簇進(jìn)行編輯可實(shí)現(xiàn)老藥新品系列批量產(chǎn)生，如通過研究生物合成卡那霉素和慶大霉素的途徑，理性設(shè)計(jì)產(chǎn)生候選新藥——慶卡霉素，所獲得的系列新結(jié)構(gòu)衍生物活性更優(yōu)，耐藥性降低[33]。合成生物學(xué)還可以擺脫傳統(tǒng)化學(xué)和酶法的限制，實(shí)現(xiàn)大健康產(chǎn)品或中間體的合成，如通過途徑設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)假尿苷的生物發(fā)酵合成，合成方法更加高效且經(jīng)濟(jì)環(huán)保。默克公司對(duì)節(jié)桿菌屬的R 擇性轉(zhuǎn)氨酶進(jìn)行了定向進(jìn)化，開發(fā)了一種新的合成糖尿病藥物 Januvia 的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)映體過量百分?jǐn)?shù)大于99.95%。Qiu 等[34] 構(gòu)建了以菊粉為原料高效生產(chǎn)γ-聚谷氨酸的菌株，為開發(fā)更多的谷氨酸衍生物開辟了道路。目前，合成生物學(xué)已在感染性疾病、代謝性疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了初步嘗試，并顯示出較為理想的治療效果，特別是在合成疫苗方面，通過了解病毒的基因組直接設(shè)計(jì)得到基因組密碼子去優(yōu)化疫苗、DNA 和RNA 疫苗[35，36]（圖6），給研究人員提供了更廣的設(shè)計(jì)空間，大幅度縮短了疫苗的研發(fā)周期。

2.4 食品

合成生物學(xué)在食品工業(yè)的應(yīng)用分為主要食品成分（蛋白質(zhì)、糖類、油脂）和輔助食品成分（氨基酸、維生素、色香味成分）兩大類。借助細(xì)胞工廠進(jìn)行食品的合成提高了土地利用效率、節(jié)約了水資源、減少了農(nóng)藥和化肥的使用。同時(shí)，合成生物學(xué)的食品制造過程受自然環(huán)境的影響較小，可以更加容易控制食品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、改善食品的營(yíng)養(yǎng)含量、賦予食品新型功能。如今合成生物學(xué)已廣泛應(yīng)用于類胡蘿卜素、甲萘醌-7 和人乳寡糖等功能性食品的生物合成[37]。在發(fā)酵食品方面，合成生物學(xué)可以通過創(chuàng)建半合成微生物群落來重建傳統(tǒng)的發(fā)酵食品生產(chǎn)，同時(shí)控制發(fā)酵過程使食品更加健康。值得關(guān)注的是，2021年，馬延和課題組[38] 成功利用合成生物學(xué)技術(shù)，以二氧化碳為原料合成出“人造淀粉”，完成了從“0 到1”的突破，對(duì)未來的糧食生產(chǎn)具有革命性影響（圖7）。

2.5 能源

隨著合成生物學(xué)的逐步成熟，在全球可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)下，包括纖維素乙醇、高級(jí)醇、脂肪烴、生物沼氣、生物氫和生物電在內(nèi)的新一代合成生物能源技術(shù)逐步發(fā)展[39]。生物化纖、生物塑料、生物尼龍、生物燃料已成功合成，基于合成生物學(xué)的生物基材料正在逐步替代石油基材料。

通過生物法合成高能量密度的異丁醇受到了廣泛重視，該材料可直接用于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)和其他燃油設(shè)備，被認(rèn)為是可替代汽油的新一代生物燃料[40-43]。2008年，Liao 團(tuán)隊(duì)[41] 在大腸桿菌中成功構(gòu)建了異丁醇的合成途徑，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)86% 理論轉(zhuǎn)化率的異丁醇合成。最近，合成生物學(xué)在能源方面的成果不斷涌現(xiàn)。Yang 等[42]通過轉(zhuǎn)基因工程改造細(xì)菌，從而合成生物燃料蒎烯，有望替代石油中提煉的四氫雙環(huán)戊二烯（JP-10），可用于導(dǎo)彈發(fā)射甚至促進(jìn)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。與化石能源相比，通過發(fā)酵工程將可再生生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料，可以減少碳排放，且為發(fā)展清潔、綠色、可持續(xù)的物質(zhì)生產(chǎn)模式奠定基礎(chǔ)。世界各主要經(jīng)濟(jì)體均把發(fā)展合成生物能源視為保障能源安全、環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略選擇，合成生物技術(shù)正在成為經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心動(dòng)力。氫氣憑借清潔、熱值高、可再生等優(yōu)勢(shì)，有望成為未來最理想的能源。然而，傳統(tǒng)的制氫過程成本較高，一直以來是限制商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵因素，利用合成生物學(xué)可以抑制氫化酶的氧敏感性和競(jìng)爭(zhēng)代謝途徑，從而提高萊茵衣藻的產(chǎn)氫效率[40， 43]（圖8），有望實(shí)現(xiàn)生物制氫的商業(yè)化。

3 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

當(dāng)前全球?qū)τ诃h(huán)保、清潔、可再生的生產(chǎn)方式需求日益增長(zhǎng)，用生物合成方式替代傳統(tǒng)化工合成在未來有著巨大的前景。通常意義上的合成生物學(xué)公司是利用工程學(xué)思維改造生命體或相關(guān)生命元素，從而生產(chǎn)出產(chǎn)品的公司。由于合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)生態(tài)覆蓋面龐大，且都有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)規(guī)模，可以將整個(gè)合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)分為大致的上、中、下游。其中，上游開發(fā)使能技術(shù)，包括DNA/RNA 合成、以及同數(shù)據(jù)相關(guān)的技術(shù)和服務(wù)；中游是對(duì)生物系統(tǒng)和生物體進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)的技術(shù)平臺(tái)；下游是應(yīng)用開發(fā)和產(chǎn)品落地（圖9）。上游產(chǎn)業(yè)突破帶動(dòng)行業(yè)加速發(fā)展，促進(jìn)了中、下游應(yīng)用企業(yè)的發(fā)展。

2020年，麥肯錫發(fā)布的報(bào)告中提到，全球約60% 的產(chǎn)品可以采用合成生物學(xué)進(jìn)行生產(chǎn)，預(yù)計(jì)在2030～2040 年，合成生物學(xué)產(chǎn)品每年可以帶來約2～4 萬億美元的直接經(jīng)濟(jì)影響。隨著合成生物學(xué)的三大底層技術(shù)（基因測(cè)序、基因編輯、基因合成）逐漸成熟，技術(shù)成本快速下降。大量初創(chuàng)公司的出現(xiàn)帶動(dòng)了資本市場(chǎng)對(duì)合成生物學(xué)的關(guān)注。據(jù)合成生物學(xué)創(chuàng)新平臺(tái)（SynBioBeta）統(tǒng)計(jì)，2016 年全球合成生物學(xué)概念的投資總額不足20 億美元，2020 年達(dá)到了78 億美元，并且約80 家合成生物學(xué)公司成功上市。全球各國(guó)針對(duì)生物制造的投入不斷增加，加速了合成生物學(xué)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

我國(guó)自2006年起就已經(jīng)重視合成生物學(xué)的發(fā)展，在“十二五”期間，合成生物學(xué)的研究項(xiàng)目分別被列入國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）?！笆濉逼陂g，合成生物學(xué)作為戰(zhàn)略前瞻性重大科學(xué)問題和前沿共性生物技術(shù)《“十三五”生物技術(shù)創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》，國(guó)家出臺(tái)了一系列政策給予支持。2018 年，科技部啟動(dòng)實(shí)施國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“合成生物學(xué)”重點(diǎn)專項(xiàng)。此后，國(guó)家越來越重視合成生物學(xué)的發(fā)展，在國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中，合成生物學(xué)被多次提及，表明國(guó)家對(duì)合成生物學(xué)的重視及推動(dòng)合成生物學(xué)成果應(yīng)用的決心。目前，中國(guó)已有幾十家合成生物學(xué)公司成立，其中華恒生物和凱賽生物已成功上市。中國(guó)合成生物學(xué)的投融資數(shù)量及融資金額呈不斷上漲的趨勢(shì)。

4 結(jié)語與展望

合成生物學(xué)具有綠色、清潔和可再生的優(yōu)點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，已經(jīng)在高分子材料、化工、生物醫(yī)藥、食品以及能源領(lǐng)域取得應(yīng)用，并展示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而、當(dāng)前合成生物學(xué)的原料和產(chǎn)物有限、元件少、效率低、研發(fā)周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致技術(shù)成本較高，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力差，造成合成生物學(xué)在產(chǎn)業(yè)化方面出現(xiàn)困境。生物制造從實(shí)驗(yàn)室到真正產(chǎn)業(yè)化，面臨著大量涉及學(xué)科交叉的難題，迫切需要生物工程、化學(xué)工程、發(fā)酵工程等學(xué)科的交叉，通過對(duì)反應(yīng)器進(jìn)一步的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高效、低成本、規(guī)?；a(chǎn)，從而在與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，國(guó)家的相關(guān)法規(guī)在一定程度上限制了合成生物學(xué)的應(yīng)用[45]，如合成生物學(xué)公司所生產(chǎn)的天然存在于食物中的谷胱甘肽和麥角硫因不在《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》（GB2760—2014）中，不能作為食品添加劑應(yīng)用于食品領(lǐng)域。此外，合成生物學(xué)的良性發(fā)展也是其面臨的一個(gè)重大問題。一方面，合成生物學(xué)的發(fā)展離不開各國(guó)政府的有效監(jiān)管，各國(guó)政府應(yīng)盡快在道德倫理、技術(shù)規(guī)范和安全風(fēng)險(xiǎn)方面達(dá)成共識(shí)，避免合成生物學(xué)脫離發(fā)展軌道，濫用于軍隊(duì)開發(fā)和武器研究，危害人類社會(huì)的安全穩(wěn)定；另一方面，科研人員要做好合成生物學(xué)的科普工作，避免公眾對(duì)其誤解或恐慌，全民科學(xué)素質(zhì)的提升有利于未來合成生物學(xué)的發(fā)展。

合成生物學(xué)的發(fā)展已進(jìn)入第3 個(gè)十年，有望逐步向理性設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。同時(shí)，隨著基因測(cè)序、基因編輯、計(jì)算機(jī)模擬建模、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，新的基因代謝路徑將會(huì)被設(shè)計(jì)出來，大量的與人類生活密不可分的產(chǎn)品將會(huì)通過生物合成的方式生產(chǎn)。隨著科技的發(fā)展，合成生物學(xué)的生產(chǎn)成本有望進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)高效低成本生產(chǎn)，從而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)，更好解決人類目前所面臨的能源短缺、環(huán)境污染等問題。