随着 2010 年后科技飞速的进步，合成生物学（synthetic biology）俨然已成生物技术领域的新星；其涉及的领域之广，举凡食物、药物、生质能（biofuels）都沾得上边，透过创新的生物工程技术给予生物学系统一个崭新的定义，更有学者将其视为颠覆生物经济（bioeconomy）的技术，能为全球的医疗保健、农业、制造业，甚至是环境能源提供创新、革命性的解决方案，也早已取得许多亮眼成果。
根据生医商品化中心（BioMed Commercialization Center, BMCC）于 2022 年的报告指出，合成生物学于 2021 年的全球市场规模已然趋近 150 亿美元，更保守估计至 2026 年时，将以 35% 的复合年增长率攀升超越 650 亿美元。一篇于 2020 年发表在 Nature Communication 的文章大胆预言，等到 2030 年来临时，我们的所食、所穿、所用及所治疗之产品，将皆会拜合成生物学技术所赐。由此可见，合成生物学已逐渐在我们的生活中扮演着不可或缺的角色。
基因线上隆重推出此次特别专题“合成生物学”，将带领读者一览该领域应用的无穷潜力。本篇文章将首先切入合成生物学定义，简介多方面应用的层面，并在下一篇中深入探讨其于微生物治疗（microbiome therapy）的发展；最后，我们也将介绍在合成生物学领域角逐的企业与新创公司，以助读者更深入了解市场要角，共同掌握本世纪最令人兴奋的科学领域。
当代生技产业的创新制造力：合成生物学（基因线上国际版）合成生物学为何物？
根据美国国家卫生研究院（National Institutes of Health, NIH）国家人类基因组研究所（National Human Genome Research Institute）所提供的定义：合成生物学是一门涉及生物改造的科学，使其赋有新能力，如合成特定物质、侦测环境等。
广义来说，合成生物学结合了分子生物学、系统生物学，再透过生物工程的原理重新为生物系统设计新功能，让科学家能够任意研究、改变、复制、甚至创造出复杂的生物路径、DNA 基因序列与生物系统，进而为医学、制造业及农业等多方面向提供有效的解决方案。
在某些情况下，合成生物学与基因编辑（genome editing）十分相似，因两者皆与生物基因编码的改变有关，但科学家对于前者通常特别着重于 DNA 的接合，并将其植入于特定生物的基因体中，以让其细胞表现特定功能；而后者则偏向生物体内 DNA 的微小修饰，透过小片段基因的删除或加入以达到疾病治疗的效果。
“合成生物”学：从无到有合成一生物，可能吗？
合成生物学，真的能从无到有，合成出生物体吗？此答案是肯定的。2002 年，美国的科学家就成功完整地从零合成出小儿麻痺症病毒（poliovirus）的核酸基因，并产出具活性的病毒颗粒，此举向全球揭示了合成生物学的强大力量。2008 年，马里兰州的科学家更成功合成出首个细菌基因体－生殖道霉浆菌（Mycoplasma genitalium）的 DNA；2017 年同批科学家再次验证合成生物学的威力，合成出用于制作面包、酿酒的酵母菌部分基因体。而自此至今，学界仍在致力了解基因体运作的模式，以尝试更进一步拓展 DNA 合成技术的极限。
然而，近期有一刊登于 Nature 期刊上的英国研究似乎已完成此创举。来自剑桥大学（University of Cambridge）生理学与神经发育学系（Department of Physiology, Development and Neuroscience）的研究团队突破性地模拟三种小鼠干细胞的交互作用，培养出小鼠胚胎细胞来形成大脑、跳动心脏及其他体内器官的发育基础。此研究成果已经超越其他干细胞实验的境界，也将合成生物学推上生物医疗道德上的浪尖。
合成生物学的革命性应用
不可否认的，合成生物学正大力推动着整体生物科学的进步，并不断地颠覆了各领域科学家的研究思维。以下根据合成生物学的两大宗应用领域介绍其革命性的潜能。
基因改造细胞：改造细胞本身以实行特定功能
1. 基因疗法
以癌症疗法 CAR-T 细胞为例，透过嵌合抗原受体（chimeric antigen receptor, CAR）技术，可改造癌症患者的免疫 T 细胞，进而达到识别与攻击癌细胞的作用。而基因工程改造过的病毒，现今也已用于多种遗传性疾病患者的缺陷基因编辑载体，如严重复合型免疫缺乏症（Severe combined immuno-deficiency, SCID）。
另外，也有研究正将患者的体细胞重新编码（reprogram）成诱导性多功能干细胞（pluripotent stem cells），期望能使其增殖、分化成不同的细胞类型，以修复疾病损伤。除了能拓展我们对疾病的了解，同时降低动物实验的使用，并为个人化疗法、细胞疗法的开发铺路。而新基因载体的研发，可使其乘载更多的基因序列到标靶组织上，进而增加疗法或疫苗的疗效，并降低抗性与副作用的产生。
2. 异种移植
器官移植在临床上向来存在着庞大的需求。人类的免疫细胞可用于辨识与去除病原体，同时也是细胞与器官移植的一大阻碍。为突破这层障碍，科学家耗费多年在了解患者与移植器官、细胞的免疫反应，而借由加入合成生物学的基改技术应用，加速推动更安全、有效的移植案例。国际上在近一年内，陆续达成将猪肾、猪心移植于人体内的首例，为异种移植（xenotransplantation）写下里程碑。
3. 疾病早期诊断与治疗
另一个令人振奋的合成生物学进展，是可生成侦测疾病进程、并对疗效产生反应的诊断治疗（theranostic）细胞株。透过改造细菌、哺乳类的细胞，达到即时诊断、治疗疾病的效果，并能对个体引发最小的侵犯性。目前此类的微生物疗法可应用于癌症、自体免疫疾病与代谢性疾病等治疗，已于临床试验展现了极大潜力。
细胞合成工厂：改造细胞以生成特定物质
随着代谢学工程（metabolic engineering）的进步，现今科学家已成功将天然合成的途径转移到生物性的生产平台上，如酵母、细菌、甚至是人体细胞中。利用基因转殖、基因编辑或酵素转移等方式，改造过的细胞能生产多种药物分子，并朝着高通量的大规模生产路途中迈进。
1. 酵母制成的各类型药物
可用于酿酒、制面包的酵母菌种（Saccharomyces cerevisiae），由于其基因组的特征明确、生理学也已被了解透彻，加上其具有强大的同源性重组机制（homologous recombination）（意味着参与重组的染色体 DNA 具高相似性，但不一定为同源染色体；而此类型的 DNA 重组机制在原核与真核细胞都有可能发生），使其成为合成生物学发展的最佳工具。
透过基因改造酵母菌，开启了酵母菌生产工厂的无限可能。目前科学家已藉其生产出抗生素、抗癌药、鸦片类止痛剂及抗氧化物等多种化合物，并且还在持续开发其潜能。酵母的合成生物学不仅展现天然产物的丰富多样性，还有望解决人类未来的健康危机与挑战。
2. 疫苗与抗体生成
疫苗的目的是让人体能在接触到病原体之前先产生抗体，进而降低感染机率，或感染后造成重症、死亡的机会。疫苗技术自问世以来已有数十年的历史，有趣的是，多数药物都是使用标准化的化学工程制成，疫苗却需要透过全细胞生产，因此较难以标准化。而引入合成生物学的辅助，透过 mRNA 技术可近乎无限地合成衍生物，突破了疫苗量化生产的阻碍；再加入菌株工程与分子设计，有效降低生产成本，并优化、系统化疫苗的生产，成为合成生物学大展拳脚的一大领域。
目前应用于疫苗生成的合成生物学技术包含基因密码子去优化（Genomic codon deoptimization，让原核蛋白质表现系统中顺利合成目标蛋白）、DNA 疫苗及 RNA 疫苗。
从在大肠杆菌中创造开关，到现今用于疫苗大规模开发、高通量诊断及癌症疗法，合成生物学在过去的 20 年以惊人速度在发展，并随着生物化学、微生物学、蛋白质工程及系统生物学的进步不断精进。而科学家也不断将电场、磁场、更复杂的遗传学及生物计算等学问加入这门领域，以成就下一个改变生命科学领域的技术。而无论具体应用如何，合成生物学将持续带领市场步伐迈向更高的境界，为生物医学企业带来长远、持久的影响。
值得注意的是，合成生物学也是一把双面刃。尽管其在多方位的应用上带来无限益处，能解决全球的要紧需求，却可能潜在对自然、环境与人体产生致命风险。而政府在面对日渐茁壮的合成生物学的多方面应用，不论是生物能、疗法或食物，都应有相对应的规范与对策，让合成生物界能在扩大投资研发与道德伦理上取得最佳的平衡。
延伸阅读：借助细菌组装人工细胞，合成生物学又一新突破！参考资料：
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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