合成生物學的發展情況如何？有哪些成果？

12-15

基本上有兩個方向吧。

一個是研究底層的細胞調控機制，複製，改進，進而設計這樣的新機制，把它加入到現有的生物體基因組裡。這走的還是傳統的基因工程的路子，但應該從體系流程上的建模分析更有系統生物學的意思。

往細胞里加新組件已經很成熟了，是主流。現在已經可以讓多細胞動物里合成全新的蛋白質，就是這個蛋白質基因不是從其它生物基因組裡取來的，而是人工合成的。

另一個是像 Craig Venter 這樣的，人工合成一個上百萬 basepair 的基因組（現在應該更長了），把細胞原來的基因組完全換掉。因為對生物的基因調控機制的理解還很弱，這種方法現在還很難說能創造什麼，只是強調全人工合成的技術，很大程度上就是人工合成一個現有的基因組。

根據樓上兩位的稍作補充吧，有錯請指正。
根據之前看的一個合成生物學的介紹，合成生物學分成4個領域。
DNA circuit, bioinformatics, DNA origami還有一個貌似是開發新的酶
最後一個不確定= =（暫時也找不到，確定了再補上）

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DNA circuit
就是樓上兩位說到的添加修改細胞內的DNA來得到功能性的生物，
用於生產某些藥物，或者用於分解動植物廢料得到生物燃料等。
這個領域發展得比較好，近幾年也有人開始將細胞改造成邏輯門系統，可以完成更加複雜的任務
兩個paper參考一下：
1. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19563759
2. http://www.nature.com/nature/journal/v491/n7423/full/nature11516.html

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bioinformatics
也比較直觀，就是用計算機對生物體進行模擬。
有興趣的可以看看兩個law based modelling的語言，一個是kappa，另一個是bionetgen

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DNA origami
就是DNA摺疊技術，前面沒有提到就多說兩句（湊巧本科畢業設計做了相關的）。
由於DNA是自然界最穩定的分子結構，所以就有人把它當做一種「建築材料」來合成納米級別的空間三維結構。
具體操作
用一條長鏈（單鏈）DNA（一般從細菌提取），然後在軟體里設計空間結構（cadnano），通過演算法可以知道哪些位置需要短鏈連接，而且可以根據長鏈算出鹼基類型。
PCR合成出所需要的短鏈之後，就把長鏈短鏈統統放一起反應。最後再篩選。
參考：Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns : Nature
作者paul Rothemund相當於是DNA origami的鼻祖，他在ted上面有個相關的演講，提出了用DNA origami合成的結構用作計算機原件的構想（當時看來效果並不理想）。

應用
1. A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads
第一個是drug delivery.藥物分子放在一個DNA做的盒子裡面，通過Aptamer lock mechanism只有到達特定位置才能釋放藥物。（作者shawn douglas也是DNA origami中的神人）

2. http://www.nature.com/nature/journal/v483/n7389/full/nature10889.html
第二個是用DNA將納米級金微粒在納米級空間的排布達到取得circular dichroism effect，目標是用這個來做成可以逆折射率的材料。不過目前還停留在某些波段，還有隻存在溶液狀態。

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總的來說，發展應用方向還是挺多的，也可以看做是挺有發展潛力吧。作為一個年輕的學科，現在還沒有太多突出的成果。按我導師的話說，現在這個「孩子」亟需一個重大成就來支持其繼續發展的信心。

我來簡單寫一點個人的看（hu）法（yan）和觀（luan）點（yu），因為最近學校剛剛建了一個Synthetic Biology Centre，恰好我也多多少少關注這個領域裡的進展。

合成生物學，雖說提出來的時候非常高大上的感覺，但是大約十多年過去了，對於一開始立下的美好目標，這個領域裡的人目前只算是一隻腳踏進門檻了吧，當然或許我知識儲備不夠，這種觀點見仁見智啦。

實際上合成生物學領域裡的研究與傳統生物工程有幾點比較明顯的差異，除了想法更炫更酷了一點（當然這是非常好的）以外，更重要的是開始使用一些數學或者計算機的模型來輔助設計（但是並沒有達到真正意義上的CAD），另外很多合成生物學的研究是構造一個特定的系統，比如構造一些邏輯門，構造圖靈斑，構造利用光感來顯影的Biofilm等等（有好多組都在做這種或者類似的研究），而不僅僅是改變原本系統中的某些部分。

除了上面幾個例子，還有幾個比較重要的研究值得提及，一個是Arnold @ CalTech的研究組裡關於用direct evolution的方法改造酶來催化生物界沒有的催化反應，不得不說這是一個很牛逼的進展。具體的可以參考Olefin Cyclopropanation via Carbene Transfer Catalyzed by Engineered Cytochrome P450 Enzymes ；另外David Baker研究組一直在做蛋白的folding和design，這些不算是主流的合成生物學，但是我覺得這兩個組裡的研究將來會非常有前途。

然後就是Craig Venter所做的研究，上面@talich 已經介紹了，不再贅述。總之這個研究的象徵意義更大，雖然技術上也比較難，但是得到的結果並不意外。

Arnold和Craig Venter這兩個以及類似的方法，都可以算作 direct evolution，這個方法並不稀奇很早人們已經在DNA上使用這種方法，但是難點在於，當你把尺度擴大，如何用direct evolution的方法來設計/改造出你想要的 networks, cell, bacterial community/multicellular systems 才是真正難的地方。因為 design space 太大了，可以考慮用機器手臂（Ron Weiss 組已經在研究如何用簡單的程序語言來控制機器手臂構造系統了），但design space還是太大，且行且看吧。

David Baker的研究和很多構造調控網路的研究，某種程度上算是 Ab initio design, 就是利用已有的組件構造成一個完整的系統。這個方向上十多年了，基本上還是在玩小的toy model，小的意思是，構造的系統只含有有限幾個或十幾個組成部分，自從05,06年開始這些調控網路的toy models里使用的promoter的種類沒有超過六個還是五個。這實際上還是挺讓人沮喪的，學生物的都知道，真實的細胞內的調控網路有成千上百的components和interactions。一個關鍵的問題是，對於複雜的系統，我們了解的並不多。

所以，現在更多的是想通過設計來理解複雜的生物系統，不斷的設計更複雜的系統然後不斷的反饋複雜的系統是如何運行和表現的，這個可能是一個比較好的方向吧。我也不知道。即便如此，生物系統的複雜性目前還是超出想像，但並不代表我們不能去尋找裡面的 design principles。

樓上的回答都很全面，這裡補充一個做的人不是很多但是很有意思的「小」方向。這個方向我知道哈佛大學的喬治。教堂（G Church）在做，歐洲也有一個組在做。基本思想是重新設計遺傳編碼表，從頭設計一個生命體。個人感覺比C Venter那個酷多了。每次想到這個主意，就不寒而慄。呵呵。

建議去讀一下這篇參考文獻：【熊燕，陳大明，楊琛，趙國屏.合成生物學發展現狀與前景[J].生命科學.2011,(9)：826-83.】關於合成生學的起源、發展進程、重要研究進展都有很詳細的敘，並且融入了作者的思考。

目前國內做合成生物學，多數是代謝工程和發酵的延伸，也就是菌株改造。也有做些部件的，如酶、調控元件等；基因組合成是基本方法和工具，就如同測序的必要性和常規化。更多合成生物學前沿資訊請關注微信公眾號「中國合成生物學」（SBexpress）。