自21世紀初以來，合成生物學這一新興領域便引起了全球的廣泛關注。2004年，美國麻省理工學院（MIT）出版的《技術評論》雜志將合成生物學評選為將改變世界的十大技術之一。作為一門跨學科的新興領域，合成生物學融合了生物學、基因組學、工程學以及信息學等多個學科的知識與技術。其核心目標是采用工程化的方法來設計、構建和優化標準化的生物部件和模塊，以此改造現有的自然生物系統或創建全新的人造生命形式，從而賦予它們預定的功能。
 

合成生物學在多個領域都有廣泛的應用前景，主要應用領域包括健康與醫藥、農業與食品、生物能源、環境保護等。隨著技術的不斷進步和應用范圍的擴大，合成生物學有望在未來為人類社會帶來更多創新和突破。

合成生物學的生產流程

合成生物學產品生產的步驟主要分為四大板塊：底盤細胞篩選、生產細胞構建、發酵生產、分離純化。

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篩選底盤細胞

底盤細胞是合成生物學生產的基礎。目前，主要的底盤細胞體系包括細菌、真菌（酵母）以及動物和植物細胞。為了有效地表達內源或外源基因并產生所需的產物，通常會選擇經過篩選的高產突變株作為待改造的底盤細胞。

02

生產細胞構建

隨著分子生物學的不斷進步，基于生物學知識的理性設計策略已廣泛應用于細胞生產領域。特別是“DBTL”（設計-構建-測試-學習）循環方法，通過基因合成、基因編輯和細胞培養等技術手段，像搭積木一樣去構建代謝通路，成功構建所需細胞，用于生產目標產品。

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發酵生產和分離純化

構建的生產細胞經過發酵生產和分離純化即可得到理想的合成生物學產品。

基因編輯在合成生物學中的應用

CRISPR基因編輯技術的基本原理已在前文“干貨│基因編輯探秘系列之原理篇”“干貨│基因編輯探秘系列之技術篇”中進行了詳盡闡述。得益于其卓越的基因組編輯能力和簡便的操作性，CRISPR技術在合成生物學系統改造與開發中扮演著關鍵角色，廣泛應用于多個領域，如細胞治療、植物基因改良以及微生物合成途徑的基因編輯等。接下來，小編將以幾個例子為大家講述CRISPR技術在合成生物學中的應用。

01

CRISPR技術在微生物改造中的應用

微生物代謝產物豐富多樣，包括眾多天然產品。以絲狀真菌為例，它們能合成抗生素、色素、酶及激素等多種物質，廣泛應用于醫藥、化工、農業和基礎生物學研究。目前，絲狀真菌生產的酶占工業酶市場約50%。然而，絲狀真菌遺傳背景復雜，某些次級代謝產物僅在特定環境下產生，實驗室標準條件下難以合成。CRISPR系統作為簡便基因編輯工具，已用于多種絲狀真菌基因編輯，如敲除天然代謝途徑基因或在宿主細胞中表達異源基因，以優化天然產物合成、增強目標產物表達、減少或消除毒性產物，推動絲狀真菌開發與應用。

黑麥麥角菌（Claviceps purpurea）所產麥角生物堿，能治療偏頭痛、高血壓，并在產婦分娩后助子宮收縮，減少出血。研究者們巧妙將CRISPR/Cas9 RNP復合物和供體DNA（donor DNA），一同導入黑麥麥角菌的原生質體內部，針對與尿苷生物合成、菌絲形態學以及麥角生物堿產量等緊密相關的三個靶基因進行精準敲除。實驗結果顯示，這一基于體外預組裝的CRISPR RNP策略，能夠高效且精確地剔除麥角生物堿合成路徑中的關鍵基因，有助于闡明麥角生物堿的生物合成途徑，促進對麥角菌的代謝工程改造，提高麥角生物堿合成效率。

02

CRISPR基因編輯技術在植物細胞改造中的應用

合成生物學在微生物領域的應用前景極為廣闊，尤其在滿足環境改善需求和推動工業化生產方面展現出巨大潛力。然而，當選用微生物作為生產平臺時，往往面臨需大量消耗糖類資源（如葡萄糖）的挑戰。此外，微生物在異源表達源自植物的代謝途徑及調控酶（如細胞色素P450酶系）方面存在效率低下的問題。相比之下，植物能夠直接利用大氣中的二氧化碳作為碳源，合成所需化合物。鑒于植物與宿主之間擁有相似的細胞器、輔酶及輔助因子，這為直接將特定代謝路徑轉移至宿主植物并應用于生產提供了便利，且無需繁瑣的優化過程。

隨著植物合成生物學的快速發展，我們現能夠通過精心設計與改造植物，以滿足不斷增長的各種需求。例如，可以開發多樣化的生物傳感器以實時監測細胞活動，通過精準改造提升作物產量與營養品質，或是生產植物天然產物及蛋白質。這些創新的工程應用不僅彰顯了植物合成生物學的成熟度，更為其未來的蓬勃發展奠定了堅實基礎。

顛茄，作為人類常用的重要草本植物，能夠孕育出眾多生物堿（TAs），其中尤以莨菪堿（hyoscyamine）、山莨菪堿（anisodamine）及東莨菪堿（scopolamine）為代表。莨菪堿在治療心律失常與有機磷中毒方面展現出獨特療效。而莨菪堿6β-羥化酶（H6H），一種具備雙功能的雙加氧酶，負責催化莨菪堿的6β-羥化過程，進而生成山莨菪堿，并最終通過環氧化作用將其轉化為東莨菪堿。近期，科研人員巧妙運用CRISPR-Cas9技術，精準敲除了顛茄中的莨菪堿6β-羥化酶基因。這一舉措不僅顯著提升了顛茄植株中莨菪堿的含量，更徹底消除了山莨菪堿與東莨菪堿的存在，極大地簡化了莨菪堿的提取流程，降低了生產成本。此研究成果預示著低成本生產莨菪堿的廣闊前景，為醫藥領域帶來了新的希望與可能。

合成生物學，這一顛覆性且前沿的技術領域，已迅速崛起成為新興的黃金賽道。其中，CRISPR基因編輯技術作為其核心基石，正以前所未有的速度推動著整個領域的快速發展。由于其廣泛的應用范圍，我們無法在此一一列舉，僅通過以上案例來展示其巨大的應用潛力。

翌圣生物專注于CRISPR基因編輯技術領域，致力于提供全面的CRISPR技術解決方案，旨在加速CRISPR基因編輯技術在合成生物學領域的廣泛應用與深入發展。

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參考文獻

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