中國網/中國發展門戶網訊 合成生物學（synthetic biology）以生物科學為基礎，會聚化學、物理、信息等學科，并借助工程學原理，設計改造天然生物體系，或合成新的生物體系，為生命科學提供新的研究范式（造物致知）。其能促進生物技術迭代提升和生物制造變革發展（造物致用），因此又被稱為工程生物學（engineering biology）、新興生物技術（emerging biotechnology），其賦能應用涉及生物醫藥、生物化工、節能減排、生物能源、生物農業、食品保健、環境治理、生物材料、生物電子與生物信息工程等。
鑒于合成生物學的科學意義和應用價值，主要發達經濟體紛紛將其列入國家戰略。中國學者近期發布的《合成生物學路線圖2030》和《合成生物學發展戰略2035》從不同角度論小班教學述了合成生物學的內涵、學科框架、發展目標、技術路徑、應用前景、治理原則和戰略部署思路。美國《國家生物技術與生物制造宏圖》明確其目標的實現將依靠“合成生物學與人工智能的突破”。麥肯錫2020年報告預測，未來10—20年，全球生物經濟規模將達2萬—4萬億美元，其中生物改造（modifying biology）的貢獻率隨時間推移將達30%—70%。
從“973”計劃和“863”計劃前期布局，到“十三五”和“十四五”重點專項的系統性支持，使中國合成生物學研究進入世界第一方陣。在中國合成生物學創新版圖上，深圳是一顆新星，她以其一貫的改革發展與創新驅動風格，顯現蓬勃生機，與上海、天津、北京等先行城市共同形成各具特色的合成生物學重鎮。
本文將國家各部委、中國科學院、廣東省和深圳市等關于深圳市合成生物學發展的舉措概括為“十大措施組合拳”，合力打造了從原創性研究到產業發展的上下游協同全過程創新生態鏈，探索了合成生物學發展的“深圳模式”。筆者本人有幸成為其中一位見證者。
新型科研機構與創新基地
措施之一：中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所——深圳創新沃土中的一粒種子
2014年，中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱“深圳先進院”）組建了合成生物學工程研究中心。這是一粒優良的種子，在深圳這片創新沃土上迅速生根發芽并茁壯成長。3年后，該中心發展成為深圳先進院的第七個研究所——合成生物學研究所（以下簡稱“合成生物所”），時任中國科學院院長白春禮、廣東省科技廳廳長王瑞軍和深圳市副市長艾學峰等一行為之揭牌。這是一個成建制的合成生物學研究機構，方向定位在合成生物學與生命健康，與中國科學院在上海和天津的相關機構差異化布局。合成生物所在其狹窄過道的墻上寫著著極具深圳特色的建所立言——“與其期待未來，不如自己創造”。在中國科學院及深圳先進院和深圳市政府等多方支持下，合成生物所凝聚了一批高素質青年學者，大多來自“常青藤”學校等世界名校和科研機構，他們組建了合成生物進化、合成基因組學、合成生物化學、合成微生物組學、合成免疫學、材料合成生物學、細胞與基因線路設計等多個研究中心。目前，合成生物所已經發展成為深圳先進院的一個大規模研究所，達1200余人（含研究生），研究組長（PI）平均年齡39歲。這批年輕學者不斷探向無人區，承擔了系列重大任務，包括深圳市合成生物研究重大科技基礎設施、深圳合成生物學創新研究院、中國科學院定量合成生物學重點實驗室、國家生物制造產業創新中心、合成生物“樓上創新、樓下創業”模式探索等。在科研方面也產出了系列重要成果，其中，2023年發表《細胞》（Cell）、《自然》（Nature）和《科學》（Science）期刊及其子刊論文42篇。“二氧化碳變‘糧’、‘油’”和“人體免疫系統發育圖譜繪制”兩項成果相繼入選2022年和2023年國內十大科技新聞。多項原創性成果被投資人看好，進入初創企業階段。短短數年，年輕的合成生物所提交了一張靚麗的成績單。
措施之二：部-市聯動支持合成生物學研究——國家重點研發計劃管理的新模式探索
為加強合成生物學的基礎研究，經科學技術部、深圳市人民政府雙方協商，“十三五”期間，深圳市政府出資5億元，加強國家重點研發計劃合成生物學重點專項的研究，這一措施在“十四五”時期繼續實施。該舉措被稱為“部-市聯動”機制，其積極意義有3個方面：鼓勵和調動了地方政府投資支持基礎研究，能實實在在增加基礎研究投入，有一定示范效應；考慮了深圳合成生物研究特色和產業發展需求，允許深圳按專項實施方案總體要求提出深圳更急需的指南方向；鼓勵全國科學家參與，甚至領銜組織深圳方面提出的研究需求，從而加強了跨區域合作。從“十三五”實施的情況來看，這種舉措取得明顯效果。
措施之三：深圳合成生物學創新研究院——新型科研機構的范式
深圳高新技術產業是全國的一面旗幟，隨著全球科技競爭不斷向基礎研究前移，2018年底，深圳發布了《深圳市關于加強基礎科學研究的實施辦法》（深府規〔2018〕25號，以下簡稱“實施辦法”），2019年1月1日起施行。其中提出實施“科技設施強基工程”，包括“規劃建設重大科技基礎設施集群”和“推進基礎研究機構建設”，合成生物學創新研究院（以下簡稱“合成院”）便是其中的基礎研究機構之一。研究院于2019年5月20日揭牌，是由深圳市人民政府投資支持，依托深圳先進院牽頭建設的非法人專業科研機構。與重大科技基礎設施一樣，合成院主體建設機構是深圳先進院見證合成生物所，共建單位是深圳市第二人民醫院（以下簡稱“深圳二院”）和華大生命科學研究院（以下簡稱“華大”）。深圳二院在國內率先承擔了國家“973”計劃醫學合成生物學項目，并在膀胱癌診療研究中取得突出進展；華大則在基因組序列分析、合成與組裝方面經驗十分豐富。
合成院秉承合成生物學“造物致知，造物致用”的理念，一方面聚焦人工生命體系的理解，開展合成生物學基本原理、共性方法研究；另一方面著重加強合成生物學醫學轉化應用研究。除了對優勢團隊提供相對穩定的支持外，還通過設立開放課題、人才交流等方式促進深港地區的科研合作和學術交流。同時，與重大科技基礎設施“二位一體”同步建設，推動國內外合成生物學研究的深層次、寬領域、全方位的國際合作，努力在深圳催生“合成生物產業”與“自動高端生物儀器國產化”兩條全新的產業鏈。
合成院作為一個新型研究機構，有較好的保障性支持，全員聘用，合理評估。數年來，在國家部委、中國科學院和深圳市各級政府的支持下，研究院已初步建成“五位一體”、多主體合作、多要素聯動的綜合創新生態模式。深圳先進院創始院長樊建平表示，“合成院的建成為合成生物科研與產業化注入新的活力，并將為深圳的科技產業創新建設、創新驅動發展作出更大的貢獻”。
措施之四：定量合成生物學重點實驗室——理論探索的前沿陣地
復雜生命系統的理性設計充滿挑戰，合成生物學的發展需要對生命功能跨層次原理進行定量解析。2017年，合成生物所組建定量合成生物學研究中心，并于2年后獲批組建中國科學院定量工程生物學重點實驗室。2021年，在“定量合成生物學”香山科學會議（第S64次）上，專家們認為，生命體系從生物大分子、生物分子機器、亞細胞結構、細胞、組織器官、個體等各個層次過渡態上發生生物學功能“涌現”的定量規律，是我們探討建立合成生物學理論構架的核心。整合定量生物學、系統生物學、合成生物學、機器學習與人工智能，發展定量合成生物學將有望解決復雜生命系統的理性設計難題。
按照全國重點實驗室重組工作安排，在中國科學院支持下，深圳先進院合成生物所以定量合成生物學為主攻方向，在原中國科學院定量工程生物學重點實驗室的基礎上組建了定量合成生物學重點實驗室。該實驗室按“定量解析、合成重構”的研究思路，聚焦復雜生物系統形成過程的基本原理、合成生物系統的理性設計原理等重要科學問題開展工作。實驗室牽頭承擔中國科學院戰略性先導科技專項（B類）“人工合成單細胞”任務，挑戰人工合成細胞、探索細胞起源這個生命科學終極命題之一。通過研究功能“涌現”原理，建立定量合成生物學理論（造物致知），從而更好地指導細胞等復雜生命體系的設計，為功能定制化服務，實現高效率“造物致用”。
單細胞的人工合成這一生命科學的重大命題長期以來受到科學界關注。2024年4月，深圳先進院合成生物所牽頭聯合日本、韓國、新加坡等6個國家25家高校及科研機構，發起了“合成細胞-亞洲”合作計劃（SynCell Asia）；并正在積極推動發起“合成細胞-全球”合作計劃（SynCell Global），在當前復雜多變的國際形勢下，為繼續深化國際合作和學術交流進行了積極的探索。
措施之五：合成生物研究重大科技基礎設施——合成生物學之重器
合成生物學的要素是根據需求對生命體系進行設計。鑒于生命體系的極端復雜性，依據現代生命科學知識和技術還難以做到“理性設計”。學者們提出“設計—構建—測試—學習”（DBTL）模式，解讀為高通量試錯系統，也稱為“生物鑄造廠”（biofoundry），由計算機、自動化設施、細胞和基因操作系統、檢測分析系統和數據分析處理系統組成。通過高通量多輪DBTL循環迭代，不斷逼近工程目標。
2016年底，幾位學者向時任深圳市市長許勤致信，建議在深圳建設合成生物研究重大科技基礎設施（以下簡稱“大設施”），主要理由是：大設施對合成生物學研究至關重要，深圳適合布局新興交叉學科；深圳信息技術和制造技術實力雄厚，生命科學發展也很快，有建設該大設施的能力；這類設施已經在國家相關部門的考慮中，以深圳的速度，可以先行先試，積累經驗；大設施在深圳建成后，將通過開放共享，為全社會合成生物學研發作出貢獻。2017年2月，深圳市即啟動大設施論證工作。經過3年多的設計、規劃、論證，2020年獲得正式批準建設，設備投資總概算為7億多元（不含基建），建筑面積3萬小班教學多平方米，位于深圳市光明科學城啟動區，深圳先進院為建設牽頭單位，華大和深圳二院參與共建。目前，大設施已經基本建成并進入調試階段。它是一個針對人工生命體智能化設計及自動化鑄造的基礎大平臺，用于生物元器件、復雜細胞網絡、人工細胞等多維度生物體系的合成、組裝、植入、激活與測試。它還將打造一個用戶的“云端實驗室”和運營者的“智能實驗室”二位一體的合成生物研究平臺，對學術界和產業界開放。大設施有40個功能島，可以獨立運行或串、并聯運行。它是我國首個將軟件控制、硬件集成和合成生物學應用進行系統整合的大型合成生物研究基礎設施，也是目前全球最大的“生物鑄造廠”。
合成生物學大設施是典型的IT（信息）、BT（生物）結合模式，其效率可用一組數據說明：美國伊利諾伊大學香檳分校的合成生物設施每天可建造多達1000個特定序列蛋白，每個造價不到3美元，成本僅為人工制造的3‰；英國愛丁堡合成生物設施每周可處理2 000多個DNA組裝反應，產量是人工作業的20倍。在此背景下，國際合成生物設施聯盟（Global Biofoundry Alliance，GBA）于2019年應運而生，深圳先進院作為發起單位之一。GBA匯聚了全球頂尖的合成生物設施機構，致力于設施間的協作溝通和經驗交流及人員培訓，共同應對技術難題，制定統一標準，為大設施的全球合作、人類攜手解決科學難題提供一種積極的范式，是全球合成生物學發展中的重要里程碑。
成果轉化載體與產業落地
措施之六：深圳市八大未來產業及科技重大專項——加速合成生物學產業化的重拳
在深圳市科技創新“十四五”規劃中，列出20個戰略性新興產業集群和合成生物等8項未來產業。2022年6月，深圳市又發布了《深圳市人民政府關于發展壯大戰略性新興產業集群和培育發展未來產業的意見》，被稱為“20+8”產業集群2.0版，解讀為“‘戰新’已興，‘未來’已來”，即戰略性新興產業已經興起，未來產業也已經出現。
為落實上述規劃，深圳市科技創新局在科技重大專項中設立了合成生物學板塊，每年1億元，采取“揭榜掛帥”方式，重點資助合成生物產業核心競爭力、核心技術、儀器和重大裝備。專項鼓勵企業聯合科研單位和高校聯合申報，支持強度為200萬—1 000萬，實施周期為2—5年；采用公開競爭和中期評估式、賽馬式、里程碑式等考核方式；其中大部分為深圳市政府與光明區政府聯合支持（“市-區聯動”項目）。2024年項目指南可以歸納為3大板塊：使能技術——如基因編輯技術、底盤細胞技術、DNA打印技術、儀器分析技術、自動化與智能細胞培養等；醫藥產品——如活性多肽、噬菌體藥物、核酸藥物、寡糖藥物、細胞藥物、微生態制劑、細胞療法、疾病檢測、類器官等；生物農業——如養殖技術、貝類育種、植物天然產物、海洋藻類功能油脂、水稻性狀改良、高密度農業育種。其他還有城市有機垃圾生物轉化、二氧化碳綠色轉化等。
措施之七：“樓上創新、樓下創業”綜合體——構建合成生物創新創業生態鏈的探索
光明區是深圳市設立的一個功能新區，是一個生態型高新技術產業新城，2023年光明區戰略性新興產業增加值占地區生產總值比重57.8%。其中，綠色低碳產業和生物醫藥產業增加值分別增長50.6%和14.4%，高于其他行業。深圳市光明科學城啟動之時，光明區政府即調撥了一棟8層樓宇，在深圳市發展和改革委員會支持下成立深圳首個產業創新中心——深圳市工程生物產業創新中心（以下簡稱“創新中心”）。就是在這棟樓上，合成生物所探索了“樓上創新、樓下創業”綜合體模式。大樓里有兩種人，“穿白大褂”的科學家和“穿西裝”的企業家。科學家在“樓上”開展原始創新活動，進行核心技術攻關；“樓下”是產業孵化空間，為初創企業提供拎包入住的共享實驗平臺及智庫支撐。科學家和企業家在同一棟樓的電梯間、輕食間、健身房里就可以交流思想、碰撞火花，既有效解決了初創企業缺乏設施和技術平臺瓶頸，又極大縮短了原始創新到產業轉化的周期。通過“樓上”與“樓下”的緊密鏈接，形成“科研—轉化—產業”的全鏈條企業培育經驗，加速成果孵化。合成生物所材料合成生物學研究中心主任鐘超研究員率領實驗室首批遷入“樓上”，并在樓下創立了柏垠生物公司，成為合成生物材料賽道值得關注的初創企業。目前，創新中心已組織10多批次企業遴選，成功匯聚50多家合成生物初創公司。與許多地方的科技產業孵化器相比，這棟樓宇的規模顯然太小，但它創造的模式對于提高成果轉化率具有十分積極的意義。2021年，這一經驗被國家發展和改革委員會寫入在全國推廣的47條“深圳經驗”。
“樓上創新、樓下創業”綜合體模式猶如一支火種，迅速點燃深圳合成生物產業。深圳市光明區出臺全國首個合成生物產業專項政策，連續4屆主辦了合成生物家教產業大會，打造了以合成生物學為特色的專業產業園區，已開園的一期、二期建筑面積共計20余萬平方米。深圳市新成立的合成生物企業約80%落戶在光明區，現已集聚合成生物企業100余家，總估值約300億元。此外，深圳先后組建了專注于合成生物產業的天使基金和產業引導基金，都注冊在光明區。同時，光明區與軟銀中國、松禾資本等國內10余家投融資機構建立聯動機制，共同開展合成生物企業的投資培育工作。推動中國銀行、杭州銀行、興業銀行等金融機構推出“合成生物貸”，初創合成生物企業授信額度從100萬元提升至1 000萬元，累計貸款額度超億元。由此，一個深度融合“基礎研究+技術攻關+成果產業化+科技金融+人才支撐”的合成生物產業全過程創新生態鏈已逐步形成，正朝著打造具有行業影響力的合成生物產業高地方向邁進。
措施之八：國家生物制造產業創新中心——六大中試轉化平臺補齊產業轉化最后一塊拼圖
然而，包括合成生物產業在內的未來產業，普遍面臨的一個痛點是缺乏小試、中式轉化平臺，這是一個瓶頸環節。
2023年7月，國家發展和改革委員會批復同意深圳先進院牽頭組建國家生物制造產業創新中心（以下簡稱“國創中心”）。國創中心聯合國家開發投資集團有限公司、招商局投資發展有限公司、深業集團有限公司、深圳市光明科學城產業發展集團有限公司、華熙生物科技股份有限公司、深圳市朗坤環境集團股份有限公司、廣東省廣新創新研究院有限公司、安徽華恒生物科技股份有限公司等產業鏈上下游優勢單位合作共建。國創中心建設地點位于深圳市光明科學城合成生物產業園內，于2024年7月正式啟動建設，將建設生產工藝高通量開發、跨尺度生物多模態驗證、大規模載體制備與質控、生物信息計算支撐、中試放大及藥品生產質量管理規范（GMP）、自動化生物制造等六大平臺，承擔合成生物學及生物制造的概念驗證、中試放大和價值放大的任務，概括起來就是為“從1到10”提供先進的平臺。
國創中心由國立科研機構聯動央企、國企和龍頭民營企業共同打造，并將與同處于光明科學城的合成生時租空間物研究大設施、深圳市工程生物產業創新中心、深圳合成生物學研究院和深圳理工大學合成生物學院等科教、產教平臺聯動，實現從原創突破到產業發展的上下游協同，加速形成合成生物制造產業全過程創新生態鏈，支撐打造生物制造產業創新高地。
教育與創新人才培養
措施之九：深圳理工大學合成生物學院——后備人才基地
2024年5月，經過多年籌建的深圳理工大學（以下簡稱“深圳理工”）獲得教育部批準成立，定位于“新型研究型大學”。合成生物學院（以下簡稱“學院”）是深圳理工創校六大學院之一，以合成生物學為建制，與合成生物所共建共享、融合發展。學院踐行深圳理工“科教融匯、產教融合”的辦校理念和國家“強基”“新工科”等人才培養措施，以生物科學為基礎，合成生物學和交叉科學為特色，依托國際水平的師資隊伍、先進的教學設施、合成生物所和重點實驗室的各研究中心、合成生物學大設施、國家生物制創新中心等國際一流平臺，以及合成生物產業園，精心設計了學術軌、工程軌和創業軌“三軌”發展的“本—碩—博”一體化學生培養方案。學生可以根據自己的志向和特點，經過通識課和專業課學習之后，在豐富的選修課中進行選修學習、在先進的實驗室參加科研活動、隨企業導師到企業實踐等。學院設立的長遠發展目標是成為國家生物科學、合成生物學和生物技術人才培養中心、創新源頭和成果溢出中心，以及生命科學的科學普及和文化傳承基地。
措施之十：合成生物學創新賽——青年學生創新的舞臺
美國麻省理工學院創辦了著名的合成生物學大賽——國際基因工程機器大賽（International Genetic Engineering Machine Competition，iGEM)，已經成功舉辦20年，全球學生趨之若鶩。中國學生從2006年開始參加，參賽隊伍逐年增加，目前已達到約150支。他們成績優秀，穩定獲得40%以上的金牌，偶爾也獲得總冠軍獎。
鑒于合成生物學快速發展，急需更多的高素質后備人才，而且競賽這種形式也是高等教育中一種生動活潑的形式，經過深入調研和充分準備，我們也于2022年啟動了合成生物學創新賽（SynBio Challenges）（以下簡稱“創新賽”）。創新賽由20多所高校和科研單位及相關機構的學者聯合發起，中國生物工程學會合成生物學分會主辦，深圳理工大學合成生物學院、深圳先進院合成生物所、深圳市合成生物學協會等機構聯合承辦，每年舉辦1次。
創新賽獲得了廣大師生的熱情支持。第一屆（2022年）盡管仍處于新冠病毒疫情中，還是有20多支隊伍到現場參賽，令人鼓舞的是，網上點擊觀摩達到220萬次。線上線下觀看的不僅有學生，而且還有學者和企業家。第二屆（2023年）和第三屆（2024年）參賽隊伍數持續翻番，達147支。賽場氣氛活躍，充分體現了年輕學生的特點，大家匯聚一堂，賽出了成績，賽出了精神，賽出了友誼。這項活動對培養學生的探索精神、創造精神和團隊精神十分有益。
合成生物學創新賽，純屬于公益性，對學生不收取任何費用。主辦方對參賽的學生們說，中國不缺會讀書、會考試的學生，但更需要的是創新精神。學生通過參賽活動，感受創新氛圍、培養創新的意識，恰恰能夠彌補這種缺憾。而且，大家所設計和創造的合成生物功能體系，若有很好的產業化價值，即使輟學創業，他日可能成為類似喬·布斯、比爾·蓋茨的角色，實現人類社會價值，也是值得鼓勵的。
深圳與國家有關部門聯動，通過系列措施，打造合成生物學及產業的良好生態和創新鏈條，探索發展新質生產力的路徑，可能成為又一個“深圳模式”。它的發生發展不是偶然的，一個極具生命力的新興學科嵌入到一個炙熱的創新沃土，必然會枝繁葉茂。當前，在全球范圍，合成生物學驅動的生物技術迭代提升和生物制造變革發展，正在繪制未來生物經濟宏圖，深圳將成為其中一個高地。
致謝感謝劉陳立、傅雄飛和審稿人對稿件提出的重要修改建議，感謝羅巍和李玉娟補充了部分內容，感謝袁海、司同、安一碩、易嘯、周啟君、高藝博等提供了相關資料！
（作者：張先恩，深圳理工大學。《中國科學院院刊》供稿）