合成生物学是2000年后兴起的生物学研究领域，它以工程学理论为依据，通过设计和合成新的生物零件、装置和系统，或是对已有的生物系统进行重新设计和改造实现特定的生物功能。就好像人们可以通过各种零件组装出电脑一样，合成生物学家希望可以将核心生物元件（如酶、基因电路、代谢途径等）进行标准化，并通过将这些标准化的“生物零件”一步步的整合，构造出具有特定功能的系统（图1），乃至于合成出全新的生物个体。
图1. 非天然代谢途径设计流程图
一、合成生物学简史
“合成生物学”作为一个新概念，是由波兰遗传学家Waclaw Szybalski在1974年首先提出的。他当时预言分子生物学的发展必将最终发展到合成生物学阶段，届时人们将可以设计新的控制元件，利用他们改造自然界的基因组，甚至可以从头构建全新的基因组。当1978年诺贝尔生理与医学奖颁发给发现限制性内切酶的三位科学家后，Waclaw Szybalski在Gene杂志写的编辑评论里提到：限制性内切酶不仅使我们可以轻易的构建或重组DNA分子、分析单个基因，还让我们进入了合成生物学的新纪元——从此人们不仅可以对自然界的基因进行分析和描述，还可以构建全新的基因排列，并对其进行评估。1980年，在德文杂志《医疗诊所(Medizinische Klinik)》上出现了第一篇以“合成生物学”为标题的长篇论文《基因外科手术：站在合成生物学的门槛（Gene surgery: on the threshold of synthetic biology）》。
2000年，在Nature杂志的403期发表了2篇论文，分别报道了合成了基因拨动开关(toggle switch)和环式震荡电路(ring oscillator circuit)两项研究工作，宣告了人工合成基因电路的问世。到现在为止，人类已经掌握的控制模块包括开关(Switch)、级联(Cascades)、脉冲发生器(plus generator)、延时电路(time delayed circuits)、振荡器(oscillator)等多种基因电路，可以有效地调节基因表达、蛋白质功能、细胞代谢或细胞—细胞相互作用。
2003年，MIT成立了标准生物零件登记处（Registry of Standard Biological Parts），专门收集各种满足标准化条件的生物模块。全世界的科学家可以都提交自己设计的模块供其他人获取，以便设计更加复杂的系统。到目前为止已经收集了大约3200个BioBrick标准化生物学元件，而且还在不断快速的增加之中。
2004年，第一届国际基因工程机器竞赛(International Genetically Engineered Machine (iGEM) competition)在MIT召开，有5个代表队参赛。到了今年举行第六届iGEM的时候，参赛队伍已经扩展为来自21个国家的112个代表队。许多iGEM的项目成果已经获得公开发表。合成生物学技术越来越受到世界范围内的广泛关注，并且以前所未有的速度蓬勃发展。
二、合成生物学的应用
1. 杀死癌细胞的细菌
美国加州大学的Voigt等人设计了一种可以侵入并杀死癌细胞的细菌。他们向细菌中引入了多条基因线路，使得细菌可以探测外界的环境。当细菌处于低氧环境、且细菌的密度超过一定阈值时（这两者都是只有在肿瘤细胞中才有的特征），细菌将表达透明质酸酶(invasin)，从而杀死癌细胞。该生物系统整合了多个模块化零件，包括两个探测器、一个与门控制器、一个反应器，显示了合成生物学的灵活性。由于这些模块可以与其他同类型零件进行替换，使得人们可以设计出针对特定癌细胞的特异性治疗的细菌。将来人们有可能设计出可以治疗癌症的细菌，他们可以作为小小的外科医生，进入人体将癌症完全摧毁，在完成任务后通过自溶消失。不仅解除了病人开刀的痛苦，而且可能攻克许多现在无法治疗的癌症。
2. 廉价合成抗疟疾药物
疟疾是一种古老的疾病，每年大约会感染5亿人，并且致使其中多达100万人丧生。几个世纪以来，标准的治疗方法是使用奎宁，或者是其衍生物氯喹，但因长期使用和病原体抗药性的增强而使其疗效一降再降。1972年，中国在中药材黄花蒿中提取出了抗疟有效物质青蒿素，但植物提取成本约为奎宁的10倍，而且大部分患者均处于世界上最贫困的地区，无法负担昂贵的药费。 Keasling等人通过来自细菌、酵母与植物多种基因及其代谢途径的设计，使大肠杆菌和酵母产生青蒿素的能力大大提高，将每个细胞可以生产的青蒿酸的量提高了100万倍，使得每一剂量的药品成本从10美元下降到了不到1美元。由于该项突出成就，Keasling被美国发现杂志评选为2006年最有影响的科学家，并获得了Bill and Melinda Gates基金资助高达4000万美金的研究资金，用于产业化生产青蒿素。2008年他们跟一家巴黎的药品公司Sanofi—Aventis签署了一份协议来生产这种药品，并且希望可以于2012年以前上市。青蒿素将是合成生物学产生的第一个真正意义上的产品，显示了合成生物学在合成化学中的潜力——通过对细胞的代谢途径进行设计，人们可以利用微生物合成各种重要的化学分子，甚至可以合成自然界中原本不存在的化学分子。
3. 制造新型生物能源
美国L9可再生石油公司的研究人员运用合成生物学的方法，开发了生产生物能源的新型技术，并于2008年获得了专利授权。他们整合了来自细菌、植物、动物的基因，依次设计合成了多条脂肪酸、脂肪醇和脂肪酸酯的生产途径。通过计算与设计这些代谢模块的不同组合，他们可以使大肠杆菌获得能够高效分泌产生类似于原油、柴油、汽油或其他烃类化学品。发酵产生的石油烃类物质浮在发酵罐上层，而下层则是培养基等水相混合物，因而产品十分容易分离提取，不需要高能耗的精馏技术。与目前的燃料乙醇精馏技术相比，这种新技术使得生产产品的能耗降低了65%。通过这种技术产生的汽油是完全可再生的，清洁的能源，并且与现有的汽车发动机及汽油供应系统兼容。
三、合成生物学技术的争议与展望
Nature的编辑在2007年这样写道：“很多科技都会在某种情况下被认为是对上帝的冒犯，但也许其中没有任何一个可以像合成生物学这样引发如此直接的控诉，……因为开天辟地第一次，上帝也有了竞争者。”借助合成生物学的力量，人类第一次可以创造全新的生命形式，彻底打破了“生命”与“非生命”的界限。也正因为如此，合成生物学技术在在世界范围内引起了社会伦理道德的广泛的思索与争议。合成生物学的反对者认为，一旦人工合成的生物系统逃逸到自然界中，可能会引发生态灾难；生物恐怖分子可能利用合成生物学制造“超级魔鬼细菌”，设计出具有抗药性的传染病菌，甚至是针对特定人种的生物武器；即便是青蒿素合成这样致力于改善人类健康状况的课题，也有质疑者认为这种新技术的出现会使亚洲和非洲大量以种植黄花蒿为生的农民失去生计。对此质疑，Keasling说。“我非常明白这让许多人焦虑担忧，也明白其中的原因。任何一种如此强大的新生事物，都意味着麻烦。但我不认为拘泥于过去就可以给我们未来想要的答案……绝不是那些离疟疾如此之近的非洲人民在说‘停止这项技术吧！’”
合成生物学技术正在处在它的幼年期，现有的成果和飞快的发展速度已经预示着它无以伦比的可行性和应用性。但是由于合成生物学技术的强大威力，这项技术的发展必须受到政府和学术界的严格控制。尤其是随着技术的扩散和成本的不断降低，怎样防止合成生物学技术被恶意使用，将是全世界所需共同面对的问题。
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