合成生物學重點專項來臨！ 我國合成生物學迎騰飛風口

「合成生物學」重點專項 2018年度項目申報指南 （徵求意見稿）

合成生物學以工程化設計理念，對生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成。「合成生物學」重點專項總體目標是針對人工合成生物創建的重大科學問題，圍繞物質轉化、生態環境保護、醫療水平提高、農業增產等重大需求，突破合成生物學的基本科學問題，構建幾個實用性的重大人工生物體系，創新合成生物前沿技術，為促進生物產業創新發展與經濟綠色增長等做出重大科技支撐。

2018年本專項將圍繞基因組人工合成與高版本底盤細胞、人工元器件與基因線路、人工細胞合成代謝與複雜生物系統、使能技術體系與生物安全評估等4個任務部署項目。

1. 人工基因組合成與高版本底盤細胞構建

1.1原核生物基因組的人工設計與合成

研究內容：針對大腸桿菌等模式原核生物，開展人工基因組的理性設計與化學合成研究。發展原核基因組深度設計、化學再造的新方法和新技術；進行基因組的系統簡化和高度簡約基因組的人工合成、組裝與功能分析。

考核指標：建立人工基因組的模塊化、適配性、正交性、成簇化的基本原則；創建大腸桿菌基因組設計合成與定製化重塑的

方法；實現2-3種重要代謝通路等特殊功能的再造；化學全合成基因組3.5 Mb以上。

1.2 真核微生物基因組的人工設計與合成

研究內容：針對真核模式生物釀酒酵母等，建立真核生物基因組的設計新原則和組裝新策略，發展真核染色體深度設計再造與功能重塑的新方法和新技術；化學全合成深度設計酵母基因組，研究真核基因組簡化的規律。

考核指標：建立釀酒酵母人工基因組深度設計合成的新原則；建立酵母基因組的模塊化組裝和人工基因組精簡的新策略；合成再造的釀酒酵母基因組精簡20%；化學全合成染色體10 Mb以上。

1.3 高版本模式微生物底盤細胞

研究內容：以解決生命科學研究中重大科學問題為導向、以重要微生物為對象，提升其研究性能或拓展其研究與應用範圍而進行微生物比較與進化基因組分析，或系統與定量生物學分析，實現生理或遺傳的數字建模或/和「底盤化」細胞的理性設計、編輯、重構及相關研究。

考核指標：針對重要微生物的研究目標，建立多層次基因組結構功能分析體系或模塊化微生物數字細胞，實現較強的預測能力；建立相應的全基因組及特殊基因模塊的理性設計體系；實現基因組改造與重編程以及基因表達的精細調控；構建4-5種在所設計的生物學功能上具有顯著超越現有天然細胞的人工高版本底盤細胞，並進行相關功能測試。其中，1-2種人工底盤細胞在科研應用中獲得突破性進展。

1.4 微藻底盤細胞的理想設計與系統改造

研究內容：研究微藻底盤細胞設計、開發通用技術和工具，實現微藻基因組的編輯、大片段刪減和功能模塊的穩定表達；研究微藻細胞代謝和生理功能模塊, 再設計、組裝和適配高效的生物合成與調控功能模塊；研究微藻底盤細胞的逆境適應機理，提升其適應力，開展合成微藻的工程化示範。

考核指標：建立聚球藻、鞘絲藻、微擬球藻等可工程化微藻的高效遺傳操作與基因組編輯改造技術，構建2種以上基因組簡化、具有多重可調控基因迴路、可編程式控制制產物積累的新型微藻底盤細胞；實現1-3個微藻代謝和生理功能模塊的鑒定、重構，開發3-5種重要能源化工產品和高值天然產物的生物合成與調控模塊，突破天然生物合成的調控和效能限制，實現目標產品的高效固碳合成；鑒定、設計8-10種可移植型微藻抗逆功能元件，獲得可在大規模培養條件下應用的微藻底盤細胞和細胞工廠，實現合成微藻製造的工程化示範 。

1.5高版本工業放線菌底盤

研究內容：研究外源複雜生物合成途徑在放線菌底盤中的適配機制（包括產物對底盤耐受，底物供給與輔酶平衡，合成元件的翻譯後修飾等機制），開發人工蛋白骨架技術以及高效率多靶點的基因編輯技術，構建基於多組學分析和體外重建系統的網路模型，將放線菌底盤服務於新產物挖掘和藥物高產。

考核指標：建立針對聚酮、萜類、核糖體肽、氨基糖苷等產物異源表達和高產的放線菌底盤細胞，實現100 Kb以上基因簇的

抓取和異源表達，實現通用、高效率、多靶點的基因編輯技術在放線菌底盤中的應用，實現人工骨架對合成元件的體內重構，建立高通量高靈敏度的中間代謝產物和終產物檢測平台，利用底盤細胞實現50種以上新功能催化元件的表徵，實現1-2種天然產物在放線菌底盤的發酵中試，並完成其臨床前評價，獲得3個重大產品的工業新菌株，發酵濃度、轉化率和產率提升10%以上，5個產品實現產業化應用 。

1.6高版本工業絲狀真菌底盤

研究內容：針對開發分別適用於蛋白質、生物基化學品等工業化生產的通用絲狀真菌底盤細胞的科學技術問題，研究底盤代謝途徑、生物大分子合成與外泌、細胞生長與生理、遺傳與發育分化等系統生物學問題；發展與完善底盤細胞的基因組設計與重編程技術體系；設計、重構、組裝高效功能模塊及核心骨架代謝途徑，提升絲狀真菌底盤的通用性和特徵性工業性能。

考核指標：解析工業絲狀真菌底盤細胞代謝冗餘、生長速度、生長溫度等關鍵生理特徵的調控機制，以指導針對外源生物大分子合成外泌、複雜原料利用、副產物消除等工業生產屬性提升的底盤細胞改造重構；實現絲狀真菌基因組水平設計與重編程，構建3-4種生產性能顯著提升、並在蛋白質或生物基化學品等類別產品生產中具有通用性的工業絲狀真菌底盤；實現2-3種絲狀真菌底盤細胞在蛋白質、重要生物基化學品生產中的工業化測試，其中1-2種重要大宗產品實現45度以上高溫發酵，1-2種重要產品使用新底盤實現萬噸級工業化生產 。

1.7植物底盤的設計與構建

研究內容：發展和完善植物底盤基因組水平設計與重構的技術，構建通用植物底盤系統；解析重要植物活性代謝物的生物合成、調控及轉運的分子機制；設計和重塑植物次級代謝及調控等特化性狀。

考核指標：針對萜類、苯丙烷類、黃酮類、生物鹼類等重要次級代謝物，設計4-5種目標專一的通用植物底盤系統，建立相應功能元器件的表徵方法和技術平台；研發植物底盤設計、構建與重編程的原理、方法和技術及優化演算法，建立植物底盤代謝模型；在植物底盤中鑒定並表徵一批重要元器件，發現並驗證若干次生代謝通路或關鍵步驟，實現一批（.10種）重要活性代謝物的有效、定向合成，部分產物含量達到乾重的千分之三以上。

2. 人工元器件與基因迴路

2.1生物元器件標準化設計組裝與應用

研究內容：基於生物元件的產物靶向催化功能和底盤靶向調控功能，研究目標特定的普適元器件功能表徵標準及相關技術；研髮針對特殊目標的通用基因元件組裝標準技術體系；通過挖掘、設計、構建與測試，獲得高性能元件。探索人工生命系統中多個元器件之間及其與底盤細胞系統的相容性、適配性、穩定性、可控性的影響因素，發展生物元件的功能預測與設計的新演算法。研發與生物元件相關數據標準化整合、交互共享、高效利用的方法，建立統一的、適應特定需求的生物元件庫及相關高維度知識集成的優質元件設計平台，提供研發應用。

考核指標：針對天然化合物的合成生物學研發，基於大腸桿菌、放線菌和酵母等重要底盤細胞，獲得一批（>10萬個）具有表徵信息的催化和調控生物元器件並有文獻支撐；建立.20種與天然化合物合成或底盤細胞調控/正交線路構建等功能相關的生物元器件功能預測、設計、標準化表徵、改造與構建的技術；構建50-100個跨物種的普適性新功能調控元件，研發.10種響應各種物理和化學信號的高效生物感應新元件，完成其在模式底盤細胞中的功能測試；形成針對3-5種通用底盤細胞的生物功能模塊設計與構建技術平台，實現人工生命系統設計的快速迭代，實施創新基因元件組裝標準技術體系；配套建立具有提供生物元件與底盤細胞數據信息標準化遞交和交互查詢功能、整合生物元器件分析和設計創新技術的在線共享平台，應用於天然化合物異源合成和高版本微生物底盤設計 。

2.2 重要病原體疫苗的人工合成

研究內容：開展全合成、安全可控的高變異病原體減毒疫苗的理論基礎、設計原則、合成和評價研究；建立基於全病原體和基因組高級結構的大片段設計、合成與拼接組裝技術，開關元件人工基因迴路設計技術，特異性免疫迴路調控技術，選擇性擴增模型，快速變異評價模型；打通重要病原體疫苗人工設計合成和定向改造的關鍵技術環節，實現高特異性、智能性、適應性減毒疫苗的全合成。

考核指標：建立病原體疫苗人工合成的新理論與技術體系，掌握模塊化人工疫苗的設計和製備原則；解析重要病原體基因組

和全病原體的高級結構3-5種，確定1-2種基於高級結構的基因組設計原則；獲得3-5種標準化、精確調控的分子開關和免疫迴路元件；建立2-3種病原體選擇性高效擴增模型和快速變異評價模型（如全細胞內化模型）；獲得2-3種保留病原體原始抗原結構的人工合成候選疫苗，完成疫苗株穩定性、免疫效力和安全性評價。

2.3合成溶瘤病毒與腫瘤治療

研究內容：建立適用於溶瘤病毒的腫瘤治療人工基因迴路的設計合成、功能分析、計算模擬技術體系，研究溶瘤病毒免疫調節腫瘤微環境的理論基礎，建立溶瘤病毒產品的生產工藝、穩定性和安全性評價技術體系。

考核指標：建立不少於50個適用於溶瘤病毒的標準化基因元件和模塊，建立1-2項人工基因迴路控制溶瘤病毒的設計原則。建立1-2項溶瘤病毒免疫調節腫瘤微環境的計算模擬和功能分析技術平台。獲得不少於3種溶瘤病毒產品在模式動物腫瘤模型測試中達到顯著治療效果，完成1-2項溶瘤病毒品種的生產工藝研究，完成1-2種溶瘤病毒產品的有效性、穩定性和安全性評價，獲得1-2個溶瘤病毒產品的臨床試驗批件。

2.4抗逆基因迴路設計合成與抗逆育種

研究內容：圍繞農作物耐鹽鹼和耐旱、工業微生物抗酸、抗高溫性能，重點研究相關自然抗逆迴路的作用機制、植物和微生物趨同抗逆途徑的生物學基礎；建立通用人工智慧抗逆模塊和迴路的設計原則、評估模型和高通量篩選平台；探索建立多功能抗

逆迴路設計與評價的新方法；結合玉米或棉花等農作物及微生物育種，開展人工抗逆迴路的適配性和系統優化研究，進行田間規模種植示範和工廠發酵生產示範。

考核指標：獲得10-20種高效抗逆元器件；實現5-7個人工智慧抗逆模塊和迴路的有效適配與系統優化；「完成/進行」10 畝以上田間種植示範及0.1-3000立方米以上工廠發酵生產示範。實現指標包括：模式植物耐受2%鹽濃度，農作物耐受中度鹽鹼化、耐旱節水15%，重要工業微生物耐受pH 下降1-1.5個單位，發酵溫度提高3-4℃，節能降耗約15%。

2.5高靈敏環境持久性有毒污染物感知與識別生物系統

研究內容：針對二惡英類、有機氯、硝基多環芳烴等持久性有毒污染物，明晰生物體對持久性有毒污染物的信號識別、信號傳遞、信號響應等基因網路調控機制及關鍵分子，設計組裝新型污染物識別元件及高效感測通路，優化識別分子及生物響應元器件，應用基因編輯構建針對持久性有毒污染物的高靈敏人工感知生物元器件，提高污染物感測通路的效率及識別元件的特異性，組裝污染物感知與識別合成生物系統，研究環境中持久性有毒污染物識別與分析中的適用性及檢測能力。

考核指標：明晰3-5種持久性有毒污染物的識別生物分子、感測通路、響應基因等感知元件，構建2-3種污染物識別、感測與生物響應的人工感知生物元器件，組裝1-2種高靈敏污染物感知與識別合成生物系統，檢測的靈敏度超出現有同類生物感測指標，並能應用於實際環境樣品持久性有毒污染物的監測。

2.6難降解有毒污染物降解代謝合成生物體系

研究內容：針對水體、土壤環境中難降解有毒污染物原位治理的難題，在微生物系統中挖掘降解基因、轉運基因、分子開關、抗逆基因，理性設計降解通路，系統優化高效降解元器件，提高合成生物細胞運動、聚集、互作功能以及對複雜環境的適應能力，設計組裝多功能代謝網路，利用人工干預手段構築難降解有毒污染物降解代謝的合成生物體系，開展人工降解代謝體系在區域性污染物原位治理以及規模化工業生產中的應用研究。

考核指標：針對難降解有毒污染物，發掘3-5種化合物降解代謝分子元器件，構築2-3種化合物的高效降解代謝生物元器件。開發針對2-3種難降解有毒污染物降解代謝的人工微生物，完成至少2項污染治理新技術中試，並形成規模化產業應用。

2.7電能細胞設計與構建

研究內容：研究電能細胞還原力、代謝調控和雙向電子傳遞的系統作用機制，設計構建提高電能細胞導電及電能利用效率的生物元件及系統。

考核指標：實現2-3種電子傳遞載體的生物合成，設計合成提高導電效率的跨膜導電色素蛋白支架（骨架）和胞外人工導電納米線；闡明絲狀電纜微生物細胞的長距離電子傳遞機制，提高工程化效率；模塊化設計合成5-10種高效雙向電子傳遞的電能細胞，使工程菌電能輸出功率密度高於10W/m2；構建1-3套電化學-微生物融合的複合電催化體系和高效生物電合成系統裝備，實現以電能為還原力高效合成高級醇等高附加值化學品。

3.特定功能的合成生物系統

3.1微生物化學品工廠的設計重構

研究內容：針對特定化學品的生物合成，研究微生物細胞工廠的設計原理，設計重要化學品的最優合成途徑，重構微生物生化合成網路，組裝人工代謝途徑；研究生物元件、途徑、細胞及環境的適配機制，解決代謝物質流和能量流的定向控制問題，構建高效的微生物化學品工廠，建立化工產品的微生物合成關鍵技術，實施重要化學品微生物合成技術的應用示範。

考核指標：開發出化學品合成途徑設計預測軟體，準確率國際領先；明確3種以上滿足原子經濟性高或還原力平衡的最優合成途徑設計原則，闡明3-5種元件、途徑、細胞及環境的適配機制；完成不少於10種有機化學品的合成途徑重構設計，獲得不少於5個新的微生物化學品工廠，目標化學品生物合成原子經濟性接近或突破自然途徑理論值，經濟技術指標優於目前化學工藝；實現2-3個千噸級至萬噸級工程化應用示範，相比現有化工生產路線，生產成本降低50%以上，污染物排放減少90%以上 。

3.2有機碳一原料利用的人工細胞構建

研究內容：研究有機碳一原料的生物轉化分子基礎與調控機制，重構有機碳一分子的細胞吸收與胞內轉化的代謝及調控網路，設計、創建及優化以碳一分子為原料合成重要化合物的人工細胞，提高有機碳一化合物的生物利用速率，建立有機碳一原料生物轉化與發酵技術，實施人工生物轉化利用有機碳一原料的規模化產業示範。

考核指標：發現、表徵和優化不少於10個有機碳一利用分子元件，設計合成5個以上新的有機碳一分子碳鏈延長關鍵生物元件，設計構建10條以上有機碳一原料生物轉化的人工途徑，創建5個以上非天然利用有機碳一原料的高效人工細胞，有機碳一原料利用速度與葡萄糖利用速度相當；實現甲醇等製備高碳醇、氨基酸、有機酸、油脂等產品的中試到千噸級產業示範，目標產品生產成本具有市場競爭力。

3.3新分子生化反應設計與合成生物系統創建

研究內容：研究新生化反應與新酶設計的基本原理，設計、合成有新催化活性的人工生物酶，創建碳鏈和功能基團增減、重排、氧化還原、氮素高效轉化利用等人工設計的新生化反應，創建新分子生物合成途徑，進行人工酶、人工途徑的組裝與適配，打通非天然、難合成分子的生物合成路線，建立新分子的規模化生物合成技術體系。

考核指標：建立新酶設計方法，確立非天然生化反應與生物合成途徑設計原則。建成1個優質生物酶資料庫，具有1萬個以上生物酶的詳細催化參數；開發1-3套新酶計算設計工具，具備過渡態分析、蛋白結構預測、催化活性預測等功能；設計2-3類催化分子機理清晰的人工生物新酶，實現自然生物不能催化或難催化的反應；創建無碳損的新分子生物合成新途徑；構建雜氮環、間苯三酚、.-甲基戊內酯等3-5種化工難合成或非天然分子的高效生物合成新路徑 。

3.4非細胞生物合成系統的構建與應用

研究內容：針對目標應用技術體系，開展非細胞合成途徑的熱力學和動力學模擬研究，設計合成超穩酶的元件和人工輔酶元件，研究酶元件、輔酶元件的體外組裝與多酶級聯反應調控機制，解決非細胞生物合成系統組裝的適配性、穩定性、有效性等問題，構建先進的非細胞生物合成系統，建立以生物質為原料生產高附加值化學品的非細胞生物合成技術，實施非細胞生物合成系統的應用示範。

考核指標：闡明人工酶系組裝與穩定的分子機制，構建庫容大於1000的超穩人工酶元件庫，創建5個以上非天然生物酶，創建20種以上的人工輔酶元件，其中3-5個人工輔酶的性能接近或達到天然輔酶；構建20個以上的人工多酶複合體，建立10種以上化學品非細胞生物合成新途徑；完成5種以上稀少糖、維生素、醫藥原料等高附加值精細化學品的非細胞合成技術，完成從生物質合成高附加值特種人造澱粉的非細胞合成技術，實現2種以上產品實現千噸級至萬噸級的應用示範，與現有工藝相比，生產成本降低50%以上，污染物排放減少90%以上。

3.5植物天然產物合成的工程細胞構建

研究內容：針對已知合成途徑的植物天然產物，研究合成途徑中關鍵酶催化效率和專一性的分子機制；研究外源基因在底盤細胞中的組裝、適配機制和細胞全局調控機制，發展植物天然產物合成的高效基因組裝和基因組編輯技術，開發植物天然產物的微生物工程細胞合成技術，並實施應用示範。

考核指標：闡明4種以上基因元件、途徑與底盤細胞的適配

原理，創建含8個以上外源基因的天然產物複雜合成途徑；構建出20種以上植物天然產物高效合成的微生物工程細胞，其中天麻素等5種天然產物發酵產量不低於15克/升；建立5條以上噸級規模應用示範生產線，發酵生產成本低於植物提取或化學合成成本50%以上。

3.6微生物天然產物的新結構創製和構效改良

研究內容：發現新型微生物天然產物生物合成酶和調控元件，研究其在天然產物合成中的工作機制；構建天然產物合成的生物元件庫；設計和構建微生物天然產物的人工生物合成途徑及合成體系，創建新結構、新功能、高藥效的天然產物庫。

考核指標：構建庫容大於2000的生物合成元件庫；挖掘和解析20個以上催化新反應、構建新結構的新型酶元件；創建10個以上重要抗菌和抗腫瘤等微生物天然產物人工生物合成體系；獲得200個以上新結構天然產物，其中3種以上為藥物先導化合物。

3.7油藏環境合成微生物組的構建

研究內容：開展高含水、稠油油藏環境合成微生物組理性設計與構建原理的研究，開發高效、穩定可控的高含水、稠油油藏微生物組的定向合成與調控技術，實施合成微生物組提高石油採收率的示範應用。

考核指標：獲得石油烴互養代謝模塊，微生物互作功能模塊與微生物互作、互養基因迴路；設計構建出含有5種核心功能微生物的微生物組群；闡明代謝分工、互養、互作等對合成微生物

組功能與魯棒性的影響，實現油藏合成微生物組功能的可編程化；在2-3個溫度大於80度的高溫油藏開展合成微生物組的現場試驗；實現150口以上關停高含水稠油油井的現場應用，實現已關停稠油油井的重新採油，提高石油產量80,000噸以上。

3.8低劣生物質轉化利用的人工多細胞體系構建

研究內容：設計構建人工多細胞體系，研究體系中菌群協作和適配的信號通訊、群體行為關係和調控，實現從低劣生物質到有用化學品的高效轉化。

考核指標：建立系統魯棒、穩定和可控的包含5個工程細胞的人工多細胞體系，闡明低劣生物質轉化人工多細胞體系的協作機制；創建4個以上識別和消除低劣生物質中脅迫因子的人工協作菌群，實現人工多細胞體系魯棒性和穩定性；實現低劣生物質為原料有機酸衍生物、氨基酸衍生物、表面活性劑等的高效生物製備；產物合成收率達到理論值的80%以上，實現百噸級的產業化示範。

4.使能技術體系與生物安全評估

4.1高通量DNA合成創新技術及儀器研發

研究內容：開發化學法DNA合成新技術、複雜結構序列的高效合成技術和大片段DNA高效組裝技術；研製基於高通量晶元的原位組裝控制系統及儀器。

考核指標：開發2-3種全新的DNA合成技術體系；研製出新一代DNA合成儀及低成本配套試劑，與現有技術相比DNA合成綜合成本降低1-2個數量級，基因合成成本單鹼基不高於0.01元，

寡核苷酸單鹼基不高於0.001元；形成1 Mb以上的DNA自動高保真合成、組裝能力；實現5000樣品/天的DNA自動化克隆通量；實現10 Mb/天DNA自動化組裝能力。開發1套從資料庫到自動化設備的DNA合成組裝全流程信息化控制軟體。

4.2合成生物學倫理評估、政策法規與公眾教育科普體系構建

研究內容：參考全球範圍內現有的合成生物學研究和應用的有關政策和法規，為政府制定符合中國國情的、可行的合成生物學研究與應用的政策提供倫理、法律和社會支撐。研究重點包括：考察合成生物學研究的目的、手段與特徵，鑒別合成生物學在研究和產業化過程中可能涉及到的倫理問題；研究合成生物學實驗室管理、市場准入以及安全監管等方面的規範，提出應對生物安全和生物安保問題的政策、法律與管理措施；研究合成生物學相關的知識產權問題；研究公眾對合成生物學的認知與可接受性，建立可持續的科學家與公眾的對話機制，營造理性的科學文化。

考核指標：（1）建立合成生物學研究和應用的倫理規範，針對合成生物學在能源、醫藥、材料、農業、食品和環境等不同領域研究和應用的具體情況，制定具有可操作性的具體的倫理準則、市場准入規範和政府監管政策建議；（2）針對合成生物學涉及的生物安全和生物安保問題，制定行之有效的實驗室研究和安全管理規範和實施辦法，並提出相關的立法建議稿（生物安全與公開和共享的關係）；（3）制定促進合成生物學從發現到創新、從「專有/閉環/監管」到「共享/開放/創新」的知識產權機制；（4）建立常

態化的合成生物學公眾教育平台，開發科研成果的公共溝通渠道和公眾參與途徑。

5.部市聯動任務指南

5.1 藥用單細胞真核微藻工程株的設計構建#

研究內容：開展萊茵衣藻、原始小球藻、微擬球藻等單細胞真核微藻細胞器基因組的人工設計、合成和改造研究，建立穩定高效的定向同源編輯及外源基因表達體系，設計構建系列藥用單細胞工程藻株庫，開展新型藥用單細胞真核藻株規模化培養與藥物生產的工程示範。

考核指標：完成2-3種單細胞真核綠藻細胞器的全基因組人工合成，構建帶有合成及定向改造細胞器基因組的藻株；實現3-5個生物藥物合成途徑在微藻葉綠體或核基因組中的構建、組裝和調控表達；構建並篩選出藥用單細胞真核工程藻50株系以上；建立噸級藥用單細胞真核藻株培養與藥物生產的工程示範。

5.2 DNA 數據存儲系統的技術研發#

研究內容：開發高效快速、高密度數據加密編碼轉碼，隨機讀取，無損解讀新方法；開發多類型數據存儲DNA介質；開發快速編碼，合成，存儲及數據讀取的集成型軟體系統。

考核指標：開發1套DNA數據編碼演算法，實現數據信息到DNA的高密度存儲（單位編碼效率bits/base > 1.6）；開發1套DNA糾錯及索引演算法，實現數據無損解讀；開發1套分區及隨機讀取流程，實現DNA數據存儲的隨存隨取；開發1套適用不同類型數據到DNA序列轉換演算法。

5.3 腫瘤的合成微生物線路治療#

研究內容：構建實體瘤治療相關基因元器件、多基因模塊交互數理分析模型。研究基因迴路精確控制機理、適配性組裝機理及體內環境下的基因迴路設計原理等關鍵科學問題。發展合成微生物治療實體瘤的理論與實用方法，闡明新型基因線路定量手段和多基因線路組裝的基礎理論，開發新型基因迴路體外測試技術，闡明合成微生物在實體瘤治療過程中體內的免疫學效應與變化，建立合成微生物治療實體瘤評價體系和應用方案。

考核指標：構建10-20個實體瘤識別、治療與適配模塊；構建3-5個針對實體瘤特異識別、高效干預的基因迴路；開發1-2種基因線路體內定量技術；建立1-2種新型體外腫瘤微環境模擬系統；建立合成菌株與腫瘤共培養的生理模型；開發3-5種載有基因診療迴路的合成微生物；完成臨床前醫學和藥學評價。

5.4 腫瘤細胞基因迴路在膀胱癌診療中的應用#

研究內容：設計基因迴路調控膀胱癌腫瘤細胞複雜信號網路，有效區分和干預腫瘤細胞；創建基因迴路組裝集成，定量控制的理論原理；建立基因線路調控膀胱癌等惡性腫瘤細胞、腫瘤相關免疫細胞以及腫瘤幹細胞命運的技術體系；開發膀胱癌靶向大容量基因線路傳遞系統和標準化、模塊化佐劑。

考核指標：構建10-30個適用於腫瘤細胞環境的標準化基因元件和模塊；設計3-5種調控膀胱癌等惡性腫瘤細胞命運的基因迴路；集成1-2套智能識別和干預惡性腫瘤、腫瘤微環境及腫瘤幹細胞的細胞治療性產品並完成安全性及有效性評價研究。

5.5 高效醫學生物成像元件庫的挖掘與應用研究#

研究內容：挖掘和鑒定生物合成超聲或光聲造影劑的生物體系，構建生物合成醫學造影劑的種子資源庫；研究造影劑生物合成的分子機制與調控網路，重構細胞或微生物合成造影劑的生物合成途徑及其酶學圖譜；設計、創建及優化合成造影劑的人工細胞或微生物系統，建立標準化、規模化、功能化生物合成醫學造影劑的關鍵技術和平台，實施造影劑生物合成技術的應用示範。

考核指標：篩選、鑒定和表徵不少於10個合成超聲或光聲造影劑的生物體系，創建3-5個造影劑的生物合成途徑及其酶學圖譜，明確5-10個造影劑生物合成關鍵基因及其調控機制； 完成5-10個高效合成造影劑的人工細胞或生物系統的重構設計，獲得不少於5個能用於醫學影像應用的造影劑或分子探針；實現生物合成造影劑在疾病診療方面的應用示範。

5.6 合成生物學自動化鑄造平台關鍵技術研發#

研究內容：完成合成生物學自動化鑄造平台的系統集成，實現設備儀器互聯互通與自動化控制；針對最核心的菌株設計改造等任務，優化實驗流程並開發雲平台的高級設計軟體，實現菌株改造的全流程自動化；自主研發自動化實驗設備，執行高精度、高通量移液與生物顆粒的高靈敏、高通量、多參數光學檢測分析等關鍵技術環節。

考核指標：實現合成生物學自動化鑄造平台的模塊化、智能化、柔性化系統集成，可並行處理工藝操作≥2，完成動態信息採集及實驗過程的信息化管理，所提取的關鍵數據具有分散式匯總及初級分析能力；3-5種模式菌株的合成改造實現全流程自動化，可由雲平台遠程操縱，且實驗效率比人手提高1個數量級以上，通量達到5000菌株/月；高精度移液的液滴最小精度<20nL，可同時進行移液操作≥2個；高通量移液實現8 96移液通道，移液誤差100μl加樣針<2％，1ml加樣針<1％，5ml加樣針<0.6％；生物顆粒分析參數≥3個（如粒徑、計數、濃度等），單顆粒檢測最小粒徑<1μm，熒光檢測靈敏度≤50MESF，採樣率≥10000顆粒/分鐘；多顆粒檢測最低檢測量≤2μL/孔，吸光度靈敏度≤0.001Abs，熒光靈敏度≤0.4fmol熒光素分子/孔，96孔檢測時間≤10秒；建立單細胞表型組識別演算法和表型組資料庫系統，庫容量>100000個；耦合單細胞流式拉曼分選和高通量測序，細胞分選後存活率>80%；耦合96孔板與分選系統的自動進樣，細胞損失率<1%。

5.7水華藍藻合成微生物控制系統構建與應用

研究內容：深入研究噬藻體侵染微囊藻細胞的機制以及噬藻體基因組中各基因功能模塊，人工組裝合成可侵染藻細胞的噬藻體，研究模塊式改造噬藻體的技術，並測試工程菌株在水華治理中的應用；改造利用藻毒素多肽合成系統作為合成生物學元件生產平台。

考核指標：建立高效基因編輯技術，組裝、優化不同功能模塊，構建多個基於藻毒素多肽的合成生物學元件。構建1-3株可生產不同環肽的合成菌。構建1-2株高效的可侵染藻細胞噬藻體用於定向治理水華藍藻。構建可高效定向降解藍藻毒素的功能模塊。

5.8 重要活性天然產物的合成途徑解析及異源表達

研究內容：開發高通量功能元件挖掘技術和沉默基因激活技術，揭示藥用植物和真菌中具有重要活性的新天然產物的生物合成途徑，闡明特殊酶的生物催化機制，開發適用於生物合成機器高效重構的異源表達體系，實現重要活性天然產物的生物製造。

考核指標：發現100種以上具有重要生物活性的新天然產物、闡明10種以上重要活性天然產物的生物合成途徑、解析5-10特殊酶的生物催化機制，開發或改進1-2種高效的異源表達體系，實現聚酮合酶的定向設計與改造，實現1-2種重要活性天然產物的微生物高效製造。