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合成生物學(xué)在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括健康與醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)與食品、生物能源、環(huán)境保護等。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用范圍的擴大，合成生物學(xué)有望在未來為人類社會帶來更多創(chuàng)新和突破。
表1.合成生物學(xué)主要應(yīng)用場景
數(shù)據(jù)來源：專家訪談；B Capital分析；BCG分析
合成生物學(xué)的生產(chǎn)流程
合成生物學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)的步驟主要分為四大板塊：底盤細胞篩選、生產(chǎn)細胞構(gòu)建、發(fā)酵生產(chǎn)、分離純化。
篩選底盤細胞
生產(chǎn)細胞構(gòu)建
隨著分子生物學(xué)的不斷進步，基于生物學(xué)知識的理性設(shè)計策略已廣泛應(yīng)用于細胞生產(chǎn)領(lǐng)域。特別是“DBTL"（設(shè)計-構(gòu)建-測試-學(xué)習(xí)）循環(huán)方法，通過基因合成、基因編輯和細胞培養(yǎng)等技術(shù)手段，像搭積木一樣去構(gòu)建代謝通路，成功構(gòu)建所需細胞，用于生產(chǎn)目標產(chǎn)品。
發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化
構(gòu)建的生產(chǎn)細胞經(jīng)過發(fā)酵生產(chǎn)和分離純化即可得到理想的合成生物學(xué)產(chǎn)品。
圖1. 合成生物學(xué)生產(chǎn)流程圖（資料來源：華安證券研究所整理）
基因編輯在合成生物學(xué)中的應(yīng)用
CRISPR基因編輯技術(shù)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(shù)篇"中進行了詳盡闡述。得益于其基因組編輯能力和簡便的操作性，CRISPR技術(shù)在合成生物學(xué)系統(tǒng)改造與開發(fā)中扮演著關(guān)鍵角色，廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)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(shù)在合成生物學(xué)中的應(yīng)用。
CRISPR技術(shù)在微生物改造中的應(yīng)用
微生物代謝產(chǎn)物豐富多樣，包括眾多天然產(chǎn)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(zhì)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)和基礎(chǔ)生物學(xué)研究。目前，絲狀真菌生產(chǎn)的酶占工業(yè)酶市場約50%。然而，絲狀真菌遺傳背景復(fù)雜，某些次級代謝產(chǎn)物僅在特定環(huán)境下產(chǎn)生，實驗室標準條件下難以合成。CRISPR系統(tǒng)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(yōu)化天然產(chǎn)物合成、增強目標產(chǎn)物表達、減少或消除毒性產(chǎn)物，推動絲狀真菌開發(fā)與應(yīng)用。
圖2. CRISPR技術(shù)在絲狀真菌次級代謝產(chǎn)物合成中的應(yīng)用[4]
黑麥麥角菌（Claviceps purpurea）所產(chǎn)麥角生物堿，能治療偏頭痛、高血壓，并在產(chǎn)婦分娩后助子宮收縮，減少出血。研究者們巧妙將CRISPR/Cas9 RNP復(fù)合物和供體DNA（donor DNA），一同導(dǎo)入黑麥麥角菌的原生質(zhì)體內(nèi)部，針對與尿苷生物合成、菌絲形態(tài)學(xué)以及麥角生物堿產(chǎn)量等緊密相關(guān)的三個靶基因進行精準敲除。實驗結(jié)果顯示，這一基于體外預(yù)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(guān)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。
圖3. 黑麥麥角菌CRISPR基因編輯流程[5]
CRISPR基因編輯技術(shù)在植物細胞改造中的應(yīng)用
合成生物學(xué)在微生物領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣闊，尤其在滿足環(huán)境改善需求和推動工業(yè)化生產(chǎn)方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，當選用微生物作為生產(chǎn)平臺時，往往面臨需大量消耗糖類資源（如葡萄糖）的挑戰(zhàn)。此外，微生物在異源表達源自植物的代謝途徑及調(diào)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(zhuǎn)移至宿主植物并應(yīng)用于生產(chǎn)提供了便利，且無需繁瑣的優(yōu)化過程。
隨著植物合成生物學(xué)的快速發(fā)展，我們現(xiàn)能夠通過精心設(shè)計與改造植物，以滿足不斷增長的各種需求。例如，可以開發(fā)多樣化的生物傳感器以實時監(jiān)測細胞活動，通過精準改造提升作物產(chǎn)量與營養(yǎng)品質(zhì)，或是生產(chǎn)植物天然產(chǎn)物及蛋白質(zhì)。這些創(chuàng)新的工程應(yīng)用不僅彰顯了植物合成生物學(xué)的成熟度，更為其未來的蓬勃發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
圖4. 植物合成生物學(xué)技術(shù)路線和應(yīng)用[7]
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(xiàn)出療效。而莨菪堿6β-羥化酶（H6H），一種具備雙功能的雙加氧酶，負責(zé)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(huán)氧化作用將其轉(zhuǎn)化為東莨菪堿。近期，科研人員巧妙運用CRISPR-Cas9技術(shù)，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(chǎn)成本。此研究成果預(yù)示著低成本生產(chǎn)莨菪堿的廣闊前景，為醫(yī)藥領(lǐng)域帶來了新的希望與可能。
圖5. 莨菪堿6β-羥化酶（H6H）、莨菪堿6β-羥化酶基因結(jié)構(gòu)及CRISPR/Cas9載體構(gòu)建[8]
合成生物學(xué)，這一且前沿的技術(shù)領(lǐng)域，已迅速崛起成為新興的黃金賽道。其中，CRISPR基因編輯技術(shù)作為其核心基石，以速度推動著整個領(lǐng)域的快速發(fā)展。由于其廣泛的應(yīng)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(yīng)用潛力。
翌圣生物專注于CRISPR基因編輯技術(shù)領(lǐng)域，致力于提供全面的CRISPR技術(shù)解決方案，旨在加速CRISPR基因編輯技術(shù)在合成生物學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用與深入發(fā)展。
產(chǎn)品推薦
產(chǎn)品應(yīng)用 | 產(chǎn)品定位 | 產(chǎn)品名稱 | 產(chǎn)品貨號 |
通用型 | 帶NLS的SpCas9 | Cas9 Nuclease | 14701ES |
熒光觀察/流式分選 | 帶EGFP熒光標簽的SpCas9 | NLS-Cas9-EGFP Nuclease | 11364ES |
基因調(diào)控 | 無剪切酶活性的Cas9 | dCas9 Nuclease | 11351ES |
小分子量遞送 | Cas12a | ArCas12a Nuclease | 14702ES |
Cas12b | AapCas12b Nuclease | 14808ES | |
sgRNA制備 | sgRNA合成 | Hifair® Precision sgRNA Synthesis Kit | 11355ES |
sgRNA純化 | Hieff NGS® RNA Cleaner | 12602ES |
參考文獻
[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.
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[4] 林繼聰, 鄒根, 劉宏民, 魏勇軍. CRISPR/Cas基因組編輯技術(shù)在絲狀真菌次級代謝產(chǎn)物合成中的應(yīng)用[J]. 合成生物學(xué), 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] 張博, 馬永碩, 尚軼, 黃三文. 植物合成生物學(xué)研究進展[J]. 合成生物學(xué), 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.
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