合成生物学采用工程学“自下而上”的理念 ， 打破“自然”和“非自然”的界限 ， 从系统表征自然界具有催化调控等功能的生物大分子 ， 使其成为标准化“元件” ， 到创建“模块”“线路”等全新生物部件与细胞“底盘” ， 构建有各类用途的人造生命系统 。 这一与系统生物学“自上而下”解析理念相反的合成理念 ， 也将我们习以为常的“格物致知”研究策略 ， 推进到了“建物致知”的新高度 。 这样 ， 进化过程中“猜测”的祖先物种或分子体系 ， 将可能被合成 ， 并加以定向的诠释；而被各种“假说”“对照”分割研究的复杂生命现象 ， 也可以实现整合的定量研究 ， 解析因果机制 。
合成生物学采用工程学“设计—合成—测试”的研究方法 ， 在学习抽象自然生命系统的基础上 ， 或对自然生物系统“重编程” ， 或重头设计具有全新特征的人工生命体系；然后 ， 利用“基因编辑”“基因合成”等“工具包” ， 用实验方法来构建 ， 再对构建出来的生物系统进行测试 ， 如此反复循环优化 ， 形成了一个正向可靠的科学闭环 。 建筑在如此大规模通用化工程平台基础上的合成生物学 ， 往往也被称为“工程生物学” ， 它“建物致用”的工程能力 ， 有望为解决健康、能源、粮食、环境等重大问题做出新贡献 。
破解资源环境难题
赋能人类健康事业
当前 ， 资源短缺、环境污染、气候变化等全球问题日益凸显 ， 合成生物技术为实现“社会—生态/环境—经济”和谐发展提供了全新解决方案 。
石油是储量有限的不可再生资源 ， 迟早有枯竭的一天 ， 这是人类生存发展必须严肃应对的问题 。 在理论上 ， 绝大多数石油化学品都能够借助合成生物学技术制得 ， 人们还可通过生物合成技术制造出传统化工无法合成的新燃料 。 同时 ， 合成生物学在人工固碳、利用二氧化碳方面取得进展 。 例如 ， 科学家通过对细菌进行人工优化和改造 ， 建造可将大气中的二氧化碳转化为酮、醇、酸等化学品的“细胞工厂” ， 实现二氧化碳等资源的高效综合利用 ， 推动建立低能耗、低污染、低排放的低碳经济模式 。
随着全球人口不断增长 ， 环境污染加剧和气候持续变化 ， 人类食品和环境安全面临巨大挑战 。 利用合成生物学技术 ， 创建适用于食品工业的细胞工厂 ， 将可再生原料转化为重要食品组分 ， 这被认为是解决食品问题的可行途径 。 在农业生产中 ， 氮肥使用量大幅增加带来的土壤板结和酸化等问题 ， 可以通过合成生物学“微生物固氮”技术得以有效解决 。 在环境治理领域 ， 可以通过“定制”微生物去除难降解的有机污染物 ， 也可开发出人工合成的微生物传感器 ， 帮助人类监测环境 ， 设计构建能够识别和富集土壤或水中的镉、汞、砷等重金属污染物的微生物 ， 以大幅提升污染治理效能 。
合成生物学在生命健康领域也有广阔的用途 ， 不仅能够用于天然产物等医药产品的生产 ， 还能在疾病研究模型的开发、生物标志物监测、干细胞与再生医学等领域发挥巨大作用 。 例如 ， 人体肠道内具有丰富多样的微生物 ， 合成生物学为肠道微生物的改造提供了工具：一方面 ， 可以设计改造对人体有益的细菌 ， 让它们生产人体自身不能合成的维生素等营养物质；另一方面 ， 可以设计出感知肠道环境变化的“智能微生物” ， 对人体内的健康状态进行检测和诊断 。
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