隨著 2010 年後科技飛速的進步，合成生物學（synthetic biology）儼然已成生物技術領域的新星；其涉及的領域之廣，舉凡食物、藥物、生質能（biofuels）都沾得上邊，透過創新的生物工程技術給予生物學系統一個嶄新的定義，更有學者將其視為顛覆生物經濟（bioeconomy）的技術，能為全球的醫療保健、農業、製造業，甚至是環境能源提供創新、革命性的解決方案，也早已取得許多亮眼成果。
根據生醫商品化中心（BioMed Commercialization Center, BMCC）於 2022 年的報告指出，合成生物學於 2021 年的全球市場規模已然趨近 150 億美元，更保守估計至 2026 年時，將以 35% 的複合年增長率攀升超越 650 億美元。一篇於 2020 年發表在 Nature Communication 的文章大膽預言，等到 2030 年來臨時，我們的所食、所穿、所用及所治療之產品，將皆會拜合成生物學技術所賜。由此可見，合成生物學已逐漸在我們的生活中扮演著不可或缺的角色。
基因線上隆重推出此次特別專題「合成生物學」，將帶領讀者一覽該領域應用的無窮潛力。本篇文章將首先切入合成生物學定義，簡介多方面應用的層面，並在下一篇中深入探討其於微生物治療（microbiome therapy）的發展；最後，我們也將介紹在合成生物學領域角逐的企業與新創公司，以助讀者更深入了解市場要角，共同掌握本世紀最令人興奮的科學領域。
當代生技產業的創新製造力：合成生物學（基因線上國際版）合成生物學為何物？
根據美國國家衛生研究院（National Institutes of Health, NIH）國家人類基因組研究所（National Human Genome Research Institute）所提供的定義：合成生物學是一門涉及生物改造的科學，使其賦有新能力，如合成特定物質、偵測環境等。
廣義來說，合成生物學結合了分子生物學、系統生物學，再透過生物工程的原理重新為生物系統設計新功能，讓科學家能夠任意研究、改變、複製、甚至創造出複雜的生物路徑、DNA 基因序列與生物系統，進而為醫學、製造業及農業等多方面向提供有效的解決方案。
在某些情況下，合成生物學與基因編輯（genome editing）十分相似，因兩者皆與生物基因編碼的改變有關，但科學家對於前者通常特別著重於 DNA 的接合，並將其植入於特定生物的基因體中，以讓其細胞表現特定功能；而後者則偏向生物體內 DNA 的微小修飾，透過小片段基因的刪除或加入以達到疾病治療的效果。
「合成生物」學：從無到有合成一生物，可能嗎？
合成生物學，真的能從無到有，合成出生物體嗎？此答案是肯定的。2002 年，美國的科學家就成功完整地從零合成出小兒麻痺症病毒（poliovirus）的核酸基因，並產出具活性的病毒顆粒，此舉向全球揭示了合成生物學的強大力量。2008 年，馬里蘭州的科學家更成功合成出首個細菌基因體－生殖道黴漿菌（Mycoplasma genitalium）的 DNA；2017 年同批科學家再次驗證合成生物學的威力，合成出用於製作麵包、釀酒的酵母菌部分基因體。而自此至今，學界仍在致力瞭解基因體運作的模式，以嘗試更進一步拓展 DNA 合成技術的極限。
然而，近期有一刊登於 Nature 期刊上的英國研究似乎已完成此創舉。來自劍橋大學（University of Cambridge）生理學與神經發育學系（Department of Physiology, Development and Neuroscience）的研究團隊突破性地模擬三種小鼠幹細胞的交互作用，培養出小鼠胚胎細胞來形成大腦、跳動心臟及其他體內器官的發育基礎。此研究成果已經超越其他幹細胞實驗的境界，也將合成生物學推上生物醫療道德上的浪尖。
合成生物學的革命性應用
不可否認的，合成生物學正大力推動著整體生物科學的進步，並不斷地顛覆了各領域科學家的研究思維。以下根據合成生物學的兩大宗應用領域介紹其革命性的潛能。
基因改造細胞：改造細胞本身以實行特定功能
1. 基因療法
以癌症療法 CAR-T 細胞為例，透過嵌合抗原受體（chimeric antigen receptor, CAR）技術，可改造癌症患者的免疫 T 細胞，進而達到識別與攻擊癌細胞的作用。而基因工程改造過的病毒，現今也已用於多種遺傳性疾病患者的缺陷基因編輯載體，如嚴重複合型免疫缺乏症（Severe combined immuno-deficiency, SCID）。
另外，也有研究正將患者的體細胞重新編碼（reprogram）成誘導性多功能幹細胞（pluripotent stem cells），期望能使其增殖、分化成不同的細胞類型，以修復疾病損傷。除了能拓展我們對疾病的了解，同時降低動物實驗的使用，並為個人化療法、細胞療法的開發鋪路。而新基因載體的研發，可使其乘載更多的基因序列到標靶組織上，進而增加療法或疫苗的療效，並降低抗性與副作用的產生。
2. 異種移植
器官移植在臨床上向來存在著龐大的需求。人類的免疫細胞可用於辨識與去除病原體，同時也是細胞與器官移植的一大阻礙。為突破這層障礙，科學家耗費多年在了解患者與移植器官、細胞的免疫反應，而藉由加入合成生物學的基改技術應用，加速推動更安全、有效的移植案例。國際上在近一年內，陸續達成將豬腎、豬心移植於人體內的首例，為異種移植（xenotransplantation）寫下里程碑。
3. 疾病早期診斷與治療
另一個令人振奮的合成生物學進展，是可生成偵測疾病進程、並對療效產生反應的診斷治療（theranostic）細胞株。透過改造細菌、哺乳類的細胞，達到即時診斷、治療疾病的效果，並能對個體引發最小的侵犯性。目前此類的微生物療法可應用於癌症、自體免疫疾病與代謝性疾病等治療，已於臨床試驗展現了極大潛力。
細胞合成工廠：改造細胞以生成特定物質
隨著代謝學工程（metabolic engineering）的進步，現今科學家已成功將天然合成的途徑轉移到生物性的生產平台上，如酵母、細菌、甚至是人體細胞中。利用基因轉殖、基因編輯或酵素轉移等方式，改造過的細胞能生產多種藥物分子，並朝著高通量的大規模生產路途中邁進。
1. 酵母製成的各類型藥物
可用於釀酒、製麵包的酵母菌種（Saccharomyces cerevisiae），由於其基因組的特徵明確、生理學也已被了解透徹，加上其具有強大的同源性重組機制（homologous recombination）（意味著參與重組的染色體 DNA 具高相似性，但不一定為同源染色體；而此類型的 DNA 重組機制在原核與真核細胞都有可能發生），使其成為合成生物學發展的最佳工具。
透過基因改造酵母菌，開啟了酵母菌生產工廠的無限可能。目前科學家已藉其生產出抗生素、抗癌藥、鴉片類止痛劑及抗氧化物等多種化合物，並且還在持續開發其潛能。酵母的合成生物學不僅展現天然產物的豐富多樣性，還有望解決人類未來的健康危機與挑戰。
2. 疫苗與抗體生成
疫苗的目的是讓人體能在接觸到病原體之前先產生抗體，進而降低感染機率，或感染後造成重症、死亡的機會。疫苗技術自問世以來已有數十年的歷史，有趣的是，多數藥物都是使用標準化的化學工程製成，疫苗卻需要透過全細胞生產，因此較難以標準化。而引入合成生物學的輔助，透過 mRNA 技術可近乎無限地合成衍生物，突破了疫苗量化生產的阻礙；再加入菌株工程與分子設計，有效降低生產成本，並優化、系統化疫苗的生產，成為合成生物學大展拳腳的一大領域。
目前應用於疫苗生成的合成生物學技術包含基因密碼子去優化（Genomic codon deoptimization，讓原核蛋白質表現系統中順利合成目標蛋白）、DNA 疫苗及 RNA 疫苗。
從在大腸桿菌中創造開關，到現今用於疫苗大規模開發、高通量診斷及癌症療法，合成生物學在過去的 20 年以驚人速度在發展，並隨著生物化學、微生物學、蛋白質工程及系統生物學的進步不斷精進。而科學家也不斷將電場、磁場、更複雜的遺傳學及生物計算等學問加入這門領域，以成就下一個改變生命科學領域的技術。而無論具體應用如何，合成生物學將持續帶領市場步伐邁向更高的境界，為生物醫學企業帶來長遠、持久的影響。
值得注意的是，合成生物學也是一把雙面刃。儘管其在多方位的應用上帶來無限益處，能解決全球的要緊需求，卻可能潛在對自然、環境與人體產生致命風險。而政府在面對日漸茁壯的合成生物學的多方面應用，不論是生物能、療法或食物，都應有相對應的規範與對策，讓合成生物界能在擴大投資研發與道德倫理上取得最佳的平衡。
延伸閱讀：借助細菌組裝人工細胞，合成生物學又一新突破！參考資料：
1. https://www.nature.com/articles/s41467-020-20122-2
2. https://www.genome.gov/about-genomics/policy-issues/Synthetic-Biology#:~:text=Synthetic%20biology%20is%20a%20field,in%20medicine%2C%20manufacturing%20and%20agriculture.
3. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05246-3
4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5287079/
5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6070867/
6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7834237/
7. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S009286742100060X
8. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00175
9. https://www.nature.com/articles/s41576-021-00383-3
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