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2022年40篇（共330篇）原创文章 在2022年第六届万物生长大会——生物技术创新论坛上，中国科学院院士、中科院上海营养与健康研究所生物医学大数据中心首席科学家赵国屏教授，做了演讲：《合成生物学与生物技术——从“造物致用”到产业转化》。我结合自身的理解和积累的资料，对赵院士的分享做了笔记。赵院士的演讲内容非常丰富，包含六个模块的内容，共4000+字，分享给大家。2.分子生物学革命、基因组学革命→现代生物工程技术的崛起和发展4.中科院合成生物学重点实验室：技术创新→造物致用我未能与演讲者做过沟通，因此，如有纰漏，是我的问题，文责自负。
生物学、生命科学：研究生物各层次的种类、结构、发育和起源进化，以及生物与周围环境的关系的科学。听这个定义，似乎很理想化，但和我们普通人的生活关系非常密切。生物技术：以生物或生命体系为基础，改造生物或加工生物原料，为人类生产所需产品。
生物技术经过一个漫长的发展过程：经验→认知×理论→设计×构建/创制公元前5000-4000年，中国仰韶时期，利用“瓮”保温，酿造谷芽酒。
 （图片来源：网络）古人的生活经验，其实都是利用了微生物，但真正形成认知，是：1676-1680年，荷兰人Leeuwenhoek改进显微镜，观察到了微生物。 （图片来源：网络）1856-1860年，法国人Louis Pasteur提出以微生物（酵母、细菌）代谢为基础的发酵理论。
他发现：红酒发酵成功，利用的是酵母的代谢功能，如果发酵失败就变成醋了。1882年，德国人Robert Koch在微生物纯培养法的创立基础上，分离出结核杆菌。1905-1922年，Bacille Calmette-Guerin获得卡介苗。1929年，英国人弗莱明（Alexander Fleming）发现青霉素，就有了微生物次生代谢药物。
今天都知道，疫苗+抗生素，让人类获得了战胜感染性疾病的主动权。
正在进行曲颈瓶实验的生物学家巴斯德——图片来源：（美）斯潘根贝格，（美）莫泽. 科学的旅程（珍藏版）. 北京：北京大学出版社，2014 分子生物学革命、基因组学革命→ 现代生物工程技术的崛起和发展 1953年：Crick & Watson发现了DNA双螺旋结构、半保留复制。他们意识到：生物系统是受调控的，DNA重组技术也发展起来了。
（图片来源：赵院士讲座） 到1980年代，基因组学启动，人们对生命系统的认知不在局限于一个基因，而上升到基因组的层面。
在此基础上，生物技术、生物工程、代谢工程全面发展，从而产生了系统生物学。有了系统生物学，人类对于生命体系的认知到了新阶段——
（图片来源：赵院士讲座） 到本世纪初，在现代生物技术崛起的基础上，科研工作者引入了工程学的理念来研究合成生物学——在工程科学理念指导下，综合系统、合成定量、计算与理论科学手段，以“设计-构建-测试-学习”的迭代研究认识生命，创建特定结构功能的工程化生命的理论架构与方法体系。以工程科学“自上而下”理念指导，以及“设计-构建-测试-学习”的迭代研究范式。综合了以下手段：①计算机设计；②基因基因组合成及非天然生命功能分子、器件（包括元件、模块、线路、底盘）构建；③检测与学习方法等。
（图片来源：赵院士讲座） 2008年，中国科学院合成生物学重点实验室设立，这是我国第一个合成生物学的重点实验室。过去十几年，就是按照上述说的“学习-设计-模块-途径-网络合成+检测”来建立生物元件与底盘，通过DNA合成、操作的技术，来进行科研和相关技术发展工作。
 （图片来源：赵院士讲座）
CRISPR（特异性高灵敏度酶促解锁，Specific High-sensitivityEnzymatic Reporter unLOCKing）技术被称为“上帝给的魔剑”，主要有三种用途：最常见的用途就是进行基因编辑，对蛋白进行切割、结合。第二，dCas Protein + effector 发现某种蛋白具有反式切割能力，该技术可以用以检测和诊断。用RNA的就是SHERLOCK技术，用DNA的就是HOLMES技术。这里补充一句，技术的发明人之一是生物界大牛——张锋。张锋团队经过巧妙构思，向系统加入一种特定RNA荧光标记物，并使用RDA扩增技术，使系统灵敏度提高了100万倍，可以准确检测到单个核酸分子。 因新系统可以发现蛛丝马迹的特征，张锋将其命名为“神探夏洛克”，看来也是一位福尔摩斯迷。 
（图片来源：赵院士讲座） 这些技术的应用，很有意思，比如：用在新冠病毒的检测，现在常用的新冠病毒检测有一个限制：只能达到4个拷贝的级别。但HOLMES具有高专一性的高灵敏度，可以达到1.6个拷贝的级别，能有效去除灰区问题，比如假阳性、假阴性或者阴阳不确定的。在CRISPER-Cas12b基础上，进一步开发了TB-QUICK快检平台。
能够对抗酸涂片阴性的TB（结核病）患者，快速、灵敏检测出结核菌。在结核病临床的检测上，表现优异——在医院原有结果上，多发现了30例阳性样本。 （图片来源：赵院士讲座）
在此技术基础上，在无锡成立了IVD载体平台，主要开发TB和微生物的检测。 （图片来源：赵院士讲座）
这部分分享的重点是，我们怎么把天然的微生物，变成人类所需要的化合物。这是生物技术里面常见的过程，但在合成生物学领域，我们赋予了新的称谓。比如，在基因工程里常说的“酶”，这里称之为“元件”。
体外过程（酶工程），这里称之为“分子机器（Mol Machine）”。细胞内、底盘基因组维度开展的工作（细胞工程、微生物工程），这里称之为“细胞工厂（Cell Factory）”。
利用了各种各样的工具包，通过设计→构建→检测→学习→进一步设计，反复循环，最后实现放大（Scale-up）和产业转化（Scale-out）。（图片来源：赵院士讲座） 人参的营养能够得以发挥，重要的组成部分就是人参皂苷。中国人参的稀有皂苷含量少，当然，人吃了人参，经过肠道微生物的作用，会产生出稀有人参皂苷。
经过肠道微生物分解人参后，会发现CK（Compound K）。CK在天然人参中没有，但在人类血清里可以检测到CK的化合物。
因此，目标是借助合成生物学方法，生产出自然界没有、而人类需要的稀有人参皂苷。实验室通过大量筛选，找到了糖基转移酶这个重要的元件，在酵母细胞内，产生出稀有人参皂苷。从每升毫克级的生产效率，扩大到了每升几克、甚至十几克的产量。纯度可以达到99.5%。产能提高，意味着现在只要一个星期，就可以生产过去六、七年才能生产的稀有皂苷。（图片来源：赵院士讲座） 以前稀有皂苷制备难度大，对于它的生理、药理功能是不清楚的。比如，在小鼠身上发现，CK可以治疗酒精性肝病，起到降脂保肝的作用。同时，从小鼠、大鼠模型发现口服人参皂苷Rb1可以治疗非酒精型脂肪肝。上述内容比较多是实验室的成果，但合成生物学已经在产业化转化方向，产生不少成果。全球合成生物学领域初创企业蓬勃发展，初步形成产业链。从产业链上下游来划分，上游为各种技术赋能公司，下游为各类产品应用型公司。
为行业提供关键技术及产品支持，如DNA测序、合成基因编辑以及菌株等生物合成所必须的生产与技术能力。核心能力除主营产品所涉及的菌种和基因等技术能力外，还包括产业化生产和商业推广能力，覆盖：工业化学品、医疗、食品、材料以及化妆品、护肤品等多个领域。（图片来源：赵院士讲座） 我国合成生物学企业发展迅速，有的获得大额融资，有的登陆科创板。初创公司获得亿元以上大额融资的，例如：弈柯莱生物、蓝晶微生物、迪赢生物、羽冠生物。（图片来源：赵院士讲座） 相对而言，应用层的公司比较落地，基础层公司做好的意义是非凡的，但挑战也是巨大的。合成生物学的发展，从2000年开始算起，也有20年进展了。1.创建时期（2000-2003年）：具备领域特征的研究手段和理论。代表事件：1998-2000年：人类基因组计划和积累数据达到了TB级（10的12次方）。2.扩张和发展期（2004-2007年）：应用领域扩大，工程技术进步存在瓶颈。代表事件：2007年以来，生物数据产出呈爆炸性增长态势（→PB量级），单位信息产出费用指数下降。3.创新和应用转化（2008-2013年）：新技术和工程手段涌现。代表事件：生命科学与医学数据超过EB量级（10的18次方），进入数据密集型科学。同时，AI方面，2016年alpha-GO的出现，202年alpha-Fold2出现，将极大提高筛选和设计效率。通过人工智能和生物数据的技术，把系统生物学研究从——“黑箱研究”（知道输入和输出是什么，但不知道内部结构和相互关系），推进为：“白箱研究”（知道输入和输出是什么，也知道输出关系的结构和过程）。从黑箱到白箱，这是合成生物学的发展方向，也是人类能力的巨大提升。
（图片来源：赵院士其他场合讲座照片）
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