引言 /Introduction
随着 DNA 测序和 DNA 合成技术的飞速发展，以及人们对基因组生物学理解的不断深入，合成基因组学得到了极大的发展。
在这篇 2024 年 5 月 17 日发表于 ACS 的综述 ⌈Synthetic Genomics: Repurposing Biological Systems for Applications in Engineering Biology⌋ 中，作者概述了合成基因组学的发展历史，简明描述了各种经典的基因合成方法，并从合成基因组学资深从业者的视角，讲述了重构和构建过程中需要考虑的各种因素，对每一种方法的优势和局限进行了清晰而深刻的阐述。作者还描述了合成基因组学在生物制造和生物医学领域的未来应用，以及这一新兴领域将如何引领和变革这些行业。
再创对文章进行了总结，欢迎各位读者阅读原文，深入了解这一令人振奋的科学前沿领域的最新发展。
沈玥、付宪（华大基因） / 作者
范锐 / 整理
孟凡康、宋子昊 / 审校
// 作者介绍
沈玥
英国爱丁堡大学生物化学与分子生物学博士，研究员，博士生导师，华大生命科学研究院合成生物学首席科学家，华大工程生物学长荡湖研究所所长，合成生物学领域知名学者。她致力于DNA合成使能技术与装备、合成基因组学及其下游应用、数据存储等领域的研究，主持参加国家、省、市基金项目14项，突破“卡脖子”技术，开发了自主知识产权高通量芯片DNA合成设备，编制国内首部DNA存储行研报告《DNA存储蓝皮书》。
付宪
佛罗里达大学博士、华大工程生物学长荡湖研究所付宪副研究员、师从 Dieter Söll 教授（美国科学院院士），主要从事基因密码子拓展的工具开发研究。目前的研究重点包括酵母基因组的设计与合成、高效的真核基因密码子拓展技术的开发、和相关的科学研究（翻译后修饰、生物遏制）与产业应用（抗体 偶联药物、新型多肽及蛋白筛选）。
读（测序）、写（合成）和编辑（基因组编辑）DNA 的能力，使得生物学开始能够“编程”。生物学变得像编程一样精确、可控。合成基因组学作为工程生物学中的一门新兴学科，结合了 DNA 合成、计算设计和生物系统的基因组修饰，使我们能够自下而上地学习和更好地理解复杂的生物系统。
近期，全球几大国家加大了对工程生物学的投资与支持。2023 年 12 月，英国政府宣布了其工程生物学的国家愿景，并计划投资 20 亿英镑以加速该领域的发展。2023 年上半年，美国、中国和澳大利亚也分别发布了他们的发展路线图和战略，展现出了各国对于推动本国工程生物学（合成生物学）这一新兴领域进步的决心。
作为开启工程生物学领域的关键，合成基因组学可能会带来新机遇，不仅有望彻底改变食品生产方式，开发新药，还可能带来环保和替代材料的创新，并开发保护生态系统的新技术工具，为未来几乎难以想象的挑战做好充分准备。
// 合成基因组学的里程碑
合成病毒基因组：
21 世纪初，科学家首次成功完成了模式生物基因组的构建。一项突破性的成就是首次合成合成病毒基因组，即脊髓灰质炎病毒 cDNA（∼7.9 kb）。该病毒基因组通过聚合酶链组装（PCA）方法和传统的克隆技术合成，证明了从零开始构建天然 DNA 模板的可行性。
单步组装和噬菌体合成：
科研人员采用凝胶纯化的寡核苷酸池进行单步组装，大大提高了组装效率，仅用两周时间就成功构建了噬菌体φX174（∼5 kb）。
噬菌体 T7 的基因重构：
研究人员构建了具有基因组重构区域的嵌合 T7 噬菌体（例如，遗传元件的解耦并引入独特的限制酶切割位点以便操作），这样的设计引入了“设计-建造-测试-学习”概念的各个方面，并证明了使用系统工程原理来研究生命基础原理的可行性。
合成微生物基因组的创建：
2010 年报道的合成基因组学的另一个里程碑是从头合成的约 1.1 Mb 的生殖道支原体（Mycoplasma mycoides）基因组，称为 JCVI-syn1.0，该基因组被移植到山羊支原体（Mycoplasma capricolum）受体细胞中。这导致了第一个具有合成基因组的细菌的产生，也称为“Synthia”。
合成细胞的进一步优化：
为了获得基因组最小的合成细胞，科学家们还做了许多工作，包括多轮转座子诱变。随后，基因组最小的合成细胞称为 JCVI-syn3.0。后续研究发现，JCVI-syn3.0 中有七个基因是保持正常形态所必需存在的。
合成大肠杆菌基因组：
通过在大肠杆菌的合成基因组中进行全基因组同义密码子的替换，科学家们成功构建了大肠杆菌的部分和完整合成基因组（分别被命名为 rE. coli-57 和 syn61）。这些研究展示了遗传密码的可塑性，并加深了我们对不同同义密码子作用的理解。
Sc2.0 计划：
在成功研究合成病毒和细菌基因组的同时，Jef Boeke 发起了 Sc2.0 酵母基因组计划，随后逐渐发展成为三大洲六国研究机构之间的国际合作。在这个项目中，研究人员对酿酒酵母的基因组进行了数千次的精确修改，包括基因的删除、插入、替换和重定位等，所有这些改变均遵循生存能力（viability）、稳定性（stability）和灵活性（flexibility）的设计原则。Sc2.0 计划中一个独特且强大的设计特点是通过 LoxP 介导的 SCRaMbLE 系统（Synthetic Chromosome Recombination and Modification by LoxP-mediated Evolution）。该系统通过 Cre 酶介导在特定的 loxP 位点之间的重组，实现了染色体片段的可控重排。
上述所有进展都为进一步的研究和多样化的工业应用铺平了道路。在下文中，作者讨论了合成基因组学的四个关键组成部分（设计、构建、测试和应用）的进展和未来方向（图 1）。
▲ 图1：图表展示了合成基因组学的“设计-构建-测试-学习”周期，其中列出了合成染色体设计、构建和功能评估中涉及的关键考虑因素、工具和策略。这种循环的迭代进化使合成生物的创造能够应用于农业、医药和制造业。
// 合成基因组设计与原理
当前的生物系统基因组设计常依赖于自上而下的策略，其中目标生物的野生型基因组作为参考。相比之下，自下而上的设计策略指的是选择功能性生物元件，然后逐步将它们组装成模块，最终构建成一个合成基因组。
由于具有更高的可预测性和可操作性，大多数合成基因组项目采用自上而下的设计策略，这可以分为四类：
1. 区分设计序列与原生序列；
2. 基因组重构，使基因解耦或重新定位到功能模块中；
3. 减少基因组冗余和基因组最小化；
4. 引入增强或新功能的启用设计特性。
作者提出，这些设计并非相互排斥，而且通常是相互关联的。例如，全基因组范围内的变化本身就可以用来区分合成序列和原生序列。此外，系统性地引入新设计的元件可能有利于或需要去除基因组和功能的冗余。
// 合成基因组重构与构建
当前合成基因组构建包括三个主要步骤：寡核苷酸合成、逐步基因组组装、将合成染色体转入细胞中。
过去二十年间，寡核苷酸合成技术在规模和成本上取得了巨大进步，推动了 DNA 合成工业的发展。但合成长链 DNA 仍面临挑战。组装基因组时，常用的方法包括利用 T4 聚核苷酸连接酶和 DNA 聚合酶。此外，还发展了如 Gibson 组装和 Golden Gate/MoClo 组装等体外策略，而酿酒酵母和枯草芽孢杆菌则是大型 DNA 组装的首选宿主。
合成基因组的最后一步是将其送入活细胞中。有两种主要的策略可用：（1） 一步传递和（2）逐步替换原生染色体为合成片段。
虽然合成基因组的直接转移看似简单，但成功案例较少，而逐步替换则可避免操作大型 DNA 的困难，并有助于识别设计中的潜在缺陷。综合来看，合成基因组的构建是一个复杂的过程。作者认为关键点是在从头构建合成基因组的过程中，可能没有单一最佳方法能满足所有需求，而采用不同方法的组合和灵活调整将提供最佳结果。
// 可行性和功能测试
在获得设计细胞中的合成 DNA 构建体后，下一个关键步骤是测试和验证它们的功能。
“测试”的目的涉及三个主要方面：
1. 确定从染色体到基因组大小的合成 DNA 是否与体内设计的序列相匹配；
2. 确定合成细胞的表型是否与预期相符；
3. 识别和修复不符点。
构建功能齐全的合成基因组的挑战在于发现和修复设计缺陷，并进行昂贵而费力的修复（或调试）工作。通过逐步替换宿主基因组的策略和利用CRISPR/Cas9等工具，可以有效地定位和修正这些缺陷。此外，作者认为，通过跨组学测试与人工智能技术的应用，我们将能够更全面地理解和改进合成生物体的设计。
作者预计，随着基因组合成项目数量的增加、开放式合作和数据共享的推进，这些信息的丰富程度将迅速增长，并生成庞大的生物数据集。通过应用人工智能（AI）和机器学习（ML）技术，这些数据集将成为构建计算模型的宝贵训练数据，未来这些模型将用于减少设计中的错误，甚至可能用来创建自动化设计工具。
// 合成基因组学的应用
合成基因组学通过从头合成基因组，使得细胞具有新的遗传密码，开启了多种前沿应用的可能性。这些应用包括非天然聚合物的生物合成、转基因生物的生物防护以及治疗性生物制剂的抗病毒细胞的生产等。特别是遗传密码扩展（GCE）技术，通过基因组工程在细胞中创建可用的空白密码子，它允许工程化的氨基酰基-tRNA 合成酶/tRNA 对特异地将非规范氨基酸（ncAA）嵌入目标蛋白中，从而赋予这些蛋白新的化学功能或改善性能。这种技术在开发新药、改进酶效率或创造具有特殊功能的生物材料方面具有巨大潜力。另一个值得关注的应用是创造耐病毒的人类细胞，这些细胞可以生产无病毒污染的抗体、生长因子、疫苗等生物制品，展示了合成基因组学在生物制造和医疗领域的巨大前景。
// 结论与展望
合成基因组学是一个新兴的领域，其快速发展主要得益于两个方面：DNA 合成成本的显著降低和 DNA 组装及操作技术的迅速进步。若能够在短时间构建并测试设计好的大量的长 DNA 片段甚至完整的染色体，这个领域的发展将会加速。
作者从多个基因组合成项目中观察到，基因组表现出很高的可塑性，但即使是极小的基因组变化也可能会引起严重的生长缺陷。因此，预防或尽量减少设计缺陷，并实现快速有效的调试，将有助于提高合成基因组启动并生成活细胞的成功率。尽管仍有许多挑战需要克服，作者依然相信合成基因组学将成为工程生物学的关键入口，彻底革新人类的制造和治疗方式。
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