Applications干货│基因编辑探秘系列之在合成生物学领域的应用

合成生物学在多个领域都有广泛的应用前景，主要应用领域包括健康与医药、农业与食品、生物能源、环境保护等。随着技术的不断进步和应用范围的扩大，合成生物学有望在未来为人类社会带来更多创新和突破。

表1.合成生物学主要应用场景

数据来源：专家访谈；B Capital分析；BCG分析

合成生物学的生产流程

随着分子生物学的不断进步，基于生物学知识的理性设计策略已广泛应用于细胞生产领域。特别是“DBTL”（设计-构建-测试-学习）循环方法，通过基因合成、基因编辑和细胞培养等技术手段，像搭积木一样去构建代谢通路，成功构建所需细胞，用于生产目标产品。

构建的生产细胞经过发酵生产和分离纯化即可得到理想的合成生物学产品。

图1. 合成生物学生产流程图（资料来源：华安证券研究所整理）

基因编辑在合成生物学中的应用

微生物代谢产物丰富多样，包括众多天然产品。以丝状真菌为例，它们能合成抗生素、色素、酶及激素等多种物质，广泛应用于医药、化工、农业和基础生物学研究。目前，丝状真菌生产的酶占工业酶市场约50%。然而，丝状真菌遗传背景复杂，某些次级代谢产物仅在特定环境下产生，实验室标准条件下难以合成。CRISPR系统作为简便基因编辑工具，已用于多种丝状真菌基因编辑，如敲除天然代谢途径基因或在宿主细胞中表达异源基因，以优化天然产物合成、增强目标产物表达、减少或消除毒性产物，推动丝状真菌开发与应用。

图2. CRISPR技术在丝状真菌次级代谢产物合成中的应用[4]

黑麦麦角菌（Claviceps purpurea）所产麦角生物碱，能治疗偏头痛、高血压，并在产妇分娩后助子宫收缩，减少出血。研究者们巧妙将CRISPR/Cas9 RNP复合物和供体DNA（donor DNA），一同导入黑麦麦角菌的原生质体内部，针对与尿苷生物合成、菌丝形态学以及麦角生物碱产量等紧密相关的三个靶基因进行精准敲除。实验结果显示，这一基于体外预组装的CRISPR RNP策略，能够高效且精确地剔除麦角生物碱合成路径中的关键基因，有助于阐明麦角生物碱的生物合成途径，促进对麦角菌的代谢工程改造，提高麦角生物碱合成效率。

图3. 黑麦麦角菌CRISPR基因编辑流程^[5]

合成生物学在微生物领域的应用前景极为广阔，尤其在满足环境改善需求和推动工业化生产方面展现出巨大潜力。然而，当选用微生物作为生产平台时，往往面临需大量消耗糖类资源（如葡萄糖）的挑战。此外，微生物在异源表达源自植物的代谢途径及调控酶（如细胞色素P450酶系）方面存在效率低下的问题。相比之下，植物能够直接利用大气中的二氧化碳作为碳源，合成所需化合物。鉴于植物与宿主之间拥有相似的细胞器、辅酶及辅助因子，这为直接将特定代谢路径转移至宿主植物并应用于生产提供了便利，且无需繁琐的优化过程。

随着植物合成生物学的快速发展，我们现能够通过精心设计与改造植物，以满足不断增长的各种需求。例如，可以开发多样化的生物传感器以实时监测细胞活动，通过精准改造提升作物产量与营养品质，或是生产植物天然产物及蛋白质。这些创新的工程应用不仅彰显了植物合成生物学的成熟度，更为其未来的蓬勃发展奠定了坚实基础。

图4. 植物合成生物学技术路线和应用^[7]

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[1] Tan X, Letendre JH, Collins JJ, Wong WW. Synthetic biology in the clinic: engineering vaccines, diagnostics, and therapeutics. Cell. 2021;184(4):881-898.

[2 Meng F, Ellis T. The second decade of synthetic biology: 2010-2020. Nat Commun. 2020;11(1):5174. Published 2020 Oct 14.

[3] Depil S, Duchateau P, Grupp SA, Mufti G, Poirot L. 'Off-the-shelf' allogeneic CAR T cells: development and challenges. Nat Rev Drug Discov. 2020;19(3):185-199.

[4] 林继聪, 邹根, 刘宏民, 魏勇军. CRISPR/Cas基因组编辑技术在丝状真菌次级代谢产物合成中的应用[J]. 合成生物学, 2023, 4(4): 738-755.

[5] Yu L, Xiao M, Zhu Z, et al. Efficient genome editing in Claviceps purpurea using a CRISPR/Cas9 ribonucleoprotein method. Synth Syst Biotechnol. 2022;7(2):664-670. Published 2022 Feb 16.

[6] Gao J, Xu J, Zuo Y, et al. Synthetic Biology Toolkit for Marker-Less Integration of Multigene Pathways into Pichia pastoris via CRISPR/Cas9. ACS Synth Biol. 2022;11(2):623-633.

[7] 张博, 马永硕, 尚轶, 黄三文. 植物合成生物学研究进展[J]. 合成生物学, 2020, 1(2): 121-140.

[8] Zeng L, Zhang Q, Jiang C, et al. Development of Atropa belladonna L. Plants with High-Yield Hyoscyamine and without Its Derivatives Using the CRISPR/Cas9 System. Int J Mol Sci. 2021;22(4):1731. Published 2021 Feb 9.