合成生物學的特征及應用

凌焱，李玉霞，劉剛，陳惠鵬

20 世紀，人們對生命的認識逐步深入，通過以分子生物學為核心的技術方法詮釋如遺傳、發育、疾病及進化等生命現象，獲得了大量關于基因和蛋白質等生命體基本組成元件的結構和功能信息。扎根在這樣的知識土壤中，以天然的生物元件為素材，以分子生物學和遺傳工程等現代生物技術為支撐平臺，在尋求思維和技術創新的需求下，合成生物學（synthetic biology）研究破土而出。

合成生物學是從人們長期以來對生命的了解和認識發展而來的，是科學研究經歷積累、醞釀和萌發后水到渠成的結果，體現了對生命科學知識從學習了解到自由運用的轉變；體現了對生物系統研究從拆解與還原到拼裝與整合的轉變；體現了對生命的認識從敬畏和膜拜到剖析和創造的轉變。

這是人類認識生命的過程中正在經歷的一次重大轉變，人們對其關注和期待越來越熱切。在不斷地追溯中，合成生物學一詞最早出現的時間甚至提早到了 1911 年[1]。盡管用語相同，但直到 1974 年，Szybalski[2]認識到分子生物學在遺傳研究領域的巨大前景后提出的合成生物學展望，才貼近當前合成生物學的研究范疇。2000 年，首次成功制造出類似電路的人造基因調控網絡被認為是這一研究領域正式誕生的標志[3-4]。2010 年，Nature 雜志為合成生物學創設10 年發表專題社論[5]。合成生物學研究已經引起了全世界的廣泛重視，成為當今科學研究的前沿領域之一。

1 合成生物學的概念與特征

目前合成生物學研究涵蓋范圍廣泛，對其定義的表述不盡相同：合成生物學領域知名的網站（http://syntheticbiology.org）這樣描述該領域的主要研究內容：“設計和構建新型生物學部件或系統以及對自然界的已有生物系統進行重新設計，并加以應用。”2010 年 12 月，美國 13 位知名專家共同完成了一份名為《新的方向》的研究報告，專門探討合成生物學問題，文中將合成生物學的研究目標定位為：“將標準化的工程技術應用于生物學，以此創造出新型或具有特定功能的生命體或生物系統，以滿足無盡的需求。”從上述兩種表述中，可以提煉出合成生物學的 3 個重要特征：①基于現有知識和技術進行創新研究；②采用工程化手段；③以應用為目標。

2 合成生物學研究意義重大

合成生物學研究注重生物系統和生物學功能的創新，從而一方面探索生命起源和進化等重大科學問題，另一方面直接面向資源耗竭、環境污染等社會可持續發展的瓶頸問題以更好造福人類。合成生物學具有如此重要研究價值和自由拓展的空間，激起了學者們的熱情和創造力，并推動生命科學研究不斷攀升，在 2010 年 6 月達到了新的高度。

這就是 Venter 研究小組 2010 年公布的成果：他們將人工合成的長度 1080 kb的絲狀支原體基因組移植到山羊支原體的細胞中，創造出了新的非天然絲狀支原體細菌細胞，宣告第一個不依賴天然基因模板、人工合成的具有自主復制能力的細菌誕生[6]。這項人造生命體的研究成果引發了國際社會的巨大震動，受到各方高度關注。盡管只是階段性成果，但這一步的實現，是對生命科學理論的證明，更堅定了學者們的信心，帶動了合成生物學的普及推廣和深入發展，為深入開展人造生命研究奠定基礎。在此基礎上，人們還可以制造新型工業微生物，用以解決能源匱乏、環境污染等問題，進而改善人與自然的關系，推動產業升級進入綠色制造時代，創造出無法估量的財富。

3 合成生物學研究具有工程化特征

人造生命研究是一項宏大的探索性工程，不僅工作量巨大，涉及多個研究領域，需要回答眾多生命科學中尚未解釋清楚的問題，而且生命體的組成復雜與精細也是難以模仿和超越的。面對細菌這樣的單細胞生物，即使科學界已經對基因組、轉錄組和蛋白質組有了長期的研究，掌握了越來越多的生物學“元件”的結構與功能，但仍然沒有完全掌握其調控系統的相互關聯，缺乏對基因間協同行為的深入認識，還無法實現人為設計完整的調控網絡。Venter 等開展的人造細胞研究項目孕育十幾載，方取得了重要的階段性成果，要加速真正意義上的人工合成生命體破繭而出，必須引入工程化的研究手段。

從專家們對合成生物學研究范疇的描述中可以發現，“設計”、“構建”、“系統”、“標準化”等具有典型工程化特點詞匯占據了核心地位。將工程化概念引入生命科學研究，不僅僅是要采用精細的技術工藝，更重要的是在學科理念上強調工程學思想，從項目組織到具體實施過程中借鑒工程學的嚴謹流程，令合成生物學研究實現標準化、模塊化和系統化，從而推進人造生命等科研工程快速發展。

3.1 工程化的研究模式

在合成生物學項目的具體實施過程中，需要確立應用目標，明確新型生物系統的預期功能，通過總體規劃設計和制定方案。針對生命系統的工程化改造和創造有兩種研究模式：一種可以稱為從整體到部分（top-down），是通過刪減生物系統中的部分元件，來確定構成該系統的基本骨架。這類研究模式的最具代表性的例子，就是通過基因刪減來確定細菌生長的必需基因的“最小基因組學”研究[7-9]；另一種可以稱為由細節到全局（bottom-up），是采用基本生物學元件，通過逐級拼裝、組合，構建相對復雜、具有特定功能的生物系統，實現預期目標。“生物磚”的研發就屬于這類模式[10-12]。人造生命體研究，則是兩種研究模式的組合，即先通過“top-down”的方式明確生命體的重要組成結構，再采用“bottom-up”的模式實現合成和組裝[6,13-14]。

3.2 “硬件”與“軟件”缺一不可

合成生物學研究項目在確立實驗方案后，選定所需的標準化生物學元件或模塊，設計技術方案，進而通過實驗手段獲得新的生物學系統，最后實現預期功能。這樣的實現流程與制造計算機等工程項目具有相似之處。

與計算機系統進行類比，生物系統也可以視作由“硬件”和“軟件”兩部分組成：DNA、蛋白質等組成生物系統的基本元件可以比作“硬件”，基因組攜帶的遺傳信息以及表達調控信息則相當于“軟件”。

經過多年的研究，人們對于生物系統的“硬件”組成已經認識得比較清楚，也有能力實現人造 DNA“硬件”：2002年，Cello 等[15]合成了長度約 7500 kb 的脊髓灰質炎病毒基因組 DNA，并以此獲得了具有活性的人工合成病毒；2004年，人工合成 DNA 長度突破 32 kb[16-17]；2008 年，Venter小組從頭合成了長度超過了 580 kb 的支原體基因組DNA[14]，到 2010 年則超過了 1000 kb[6]。在合成生物學發展初期，合成基因或基因組 DNA 等“硬件”的技術水平，為合成生物學發展提供了技術保障，成為領域發展的重要標志。盡管 DNA 合成能力還有很大的提高空間，但隨著DNA 自動化合成技術逐漸成熟[18]，商品化、規模化制備DNA 越來越常見[19]，DNA 合成能力將不再是關鍵的技術指標和研究重點。畢竟，DNA 不僅僅是個架子，這條美麗“雙螺旋”的真正價值并不是其長度，而在于其承載的有效信息。

賦予 DNA 真正的價值，就是為新的生物系統設計DNA 序列信息并制定運行規則，也就是設計能夠控制“硬件”運轉的“軟件”。如此，才能利用無生命特征的生物學元件創造出具有活性的新型生命體，才符合合成生物學的創造性需要。然而，盡管科學家已經開展了人類及多種生物的基因組測序研究，以及多種組學以及表觀遺傳學研究，但是對于生物系統遺傳信息的解讀依然不透徹，對負責調控“硬件”運轉的信息流構成還不十分清楚，缺乏編寫“軟件”的能力。

2010 年報道的人造支原體項目，也僅僅實現了在兩種十分相近的支原體間進行基因組移植，并且必須依賴天然細胞的調控網絡及基因組天然的遺傳信息。可見，僅僅掌握人造“硬件”的技術不能滿足合成生物學發展的迫切需求，未來更重要且更艱巨的課題，是認識基因及基因組與細胞內環境匹配的關鍵因素，摸索控制基因協調、有序表達的規則，進而設計開發人造“軟件”，并通過“軟件”和“硬件”合理組裝，使創造性思維得以體現。

3.3 構建工程化的生物系統依靠多學科技術支撐

如何將“軟件”與“硬件”組合構建成完整的生物系統，又是一道技術難關，需要運用工程學、遺傳學、化學、微生物學、計算科學等多個領域的技術。與以往的分子生物學和遺傳工程相比，今天的合成生物學更多地采用計算機、自動化以及標準化元件的方式進行操作，可以運用更多種類的解決方案，從而更快地推動了自身的發展。

作為一個以多學科為基礎的綜合性交叉研究領域，在不同學者眼中，合成生物學呈現出不同的側影：對于生物學家而言，合成生物學打開了一扇探索生命奧秘的大門；工程學家更關注的是該如何將實驗流程和各類生物學元件進行模塊化、標準化，以及如何有效地控制多個元件的相互協調；而如何將標準化的生物學模塊進行數字化、定量化評價，更好地為人造“軟件”進行模擬計算，從而指導生物系統的構建，則是計算科學在生命科學中應用的突出體現；化學家和藥物學家則更愿意將合成生物學看作多種用途的新型工具，用于高效地生產新型燃料和藥物。將這些側影匯總，就形成了合成生物學強大的技術攻關能力，為合成生物學研究項目的實施提供了有力的保障。

目前，通過設計 DNA 序列合成新型蛋白質已有很多報道[20-23]，為實現蛋白質的新功能開拓了思路；將生物信號進行數字化分析、整理并構建模擬網絡的工作正在開展[24-25]；Anderson 和 Zhang 等利用人造的生物模塊構建精巧的調控網絡，實現了“硬件”和“軟件”的初步整合[26-28]。

在這些研究工作的不斷推動下，也許未來的某一天，就像今天我們走進中關村看到琳瑯滿目的各種計算機配件一樣，合成生物學大廈里也將分門別類地放置各種生物學配件，并提供相應的安裝指南，人們只需要提出自己的應用目標就可以快速獲得一套新型的生物系統。

4 合成生物學的研究目標

合成生物學的發展以應用為目標，傳承了生命科學領域的知識體系、發展了遺傳工程的技術手段、借鑒了工程學的研究模式、用自由的想象豐富了創新的能力，這些準備都是為了實現“科技創造價值；科技造福人類”的理念。求新求變的合成生物學為科學界注入了生機與活力，使學者們的視野更開闊，思維更活躍。新思路、新技術和研究成果如雨后春筍般涌現，合成生物學研究呈現出百花齊放的局面。

4.1 探索生命的奧秘

經過漫長的自然進化，形成了現今我們認識的這個生物世界。不論現有生命模式是否完美，今天的人類都無法重復這一充滿偶然事件的過程，抑或重新選擇進化道路。但是，當合成生物學武裝了人們的好奇心與創造力時，學者們有了更多的思考和嘗試, 也許圍繞生命奧秘的疑團，將在合成生物學的幫助下被一一解開：Neumann 等[29-30]設計了新的非天然氨基酸并擴展了遺傳密碼；不同研究小組設計了稱作“人工擴展的遺傳信息系統”，并創造了新型核苷酸[31-32]；Lee 等[33-34]創造了 xDNA 和 yDNA，從而改變了 DNA 雙螺旋的結構和特點；2008 年，通過長期從事細胞膜結構的研究，創造出能自行組裝的人工模擬細胞膜結構[35-36]；2009年的諾貝爾獎獲得者 Szostak 率領研究小組[37]構建了原細胞（protocell）模型，并探索了這些地球最初的細胞如何與環境進行物質交換；哈佛大學的 Forster 和 Church[38]開展了多項合成生物學研究，包括合成最小細胞以及從頭合成具有生物學功能的人造核糖體（未報道）；為了研究改造后的基因組在新細胞中的特征及功能，Endy 等[39]對 T7 噬菌體的基因組進行了重新設計，并用其取代了野生型的基因組；Lartigue 等[40]在兩種支原體間實現了基因組移植和取代，在此基礎上，Gibson 等[6]利用從頭合成的基因組獲得了人造支原體細胞。

合成生物學研究在生命科學領域的探索推動了人造生命體研究的快速發展，也為能源、環境、醫藥衛生等生物技術產業的發展打開了一扇新的大門。

4.2 制備清潔能源

目前，全球都面臨著資源短缺和環境污染的雙重壓力，應用合成生物學技術可以從可再生資源中制備清潔能源，從而減少對于化石燃料的依賴，減少有害物排放，進而緩解由石油資源觸發的一系列政治和經濟問題。

應用合成生物學技術改造的“超級”酵母或細菌通過對生物質進行能量轉化[41]，可以將林業、農業及生活的廢料、廢水轉化為新型的生物能源[42]，并通過提高生物能轉化的速度和效率向規模化應用發展[43]。建立、健全以合成生物學技術為基礎的可持續發展的生物工業體系，將是緩和能源、環保等領域所面臨嚴峻形勢的解決途徑之一，并將創造新的經濟增長點。

4.2.1 生物醇類替代能源 美國 Amyris 公司正在應用合成生物學技術平臺，利用酵母制備纖維素乙醇。而生物丁醇產物經過簡單純化甚至可以直接用于傳統的汽油發動機，BP 公司與 DuPont 公司、美國能源部下屬的 Joint Bioenergy 研究所、美國的 Gevo 以及 LS9 公司都在通過改造細菌研制生物丁醇。Atsumi 等[44]研制的大腸桿菌更適用于工業化生產生物丁醇。

4.2.2 藻類替代能源 通過合成生物學手段制造生物能源的另一個渠道，是利用能夠進行光合作用的藻類[45]，并且藻類產生的生物石油的物理和化學性質與當前廣泛應用的石油來源的燃料十分接近[46]。美國 Aurora Algae 公司已經具備工業化制藻的能力并不斷擴大規模。美國 Synthetic Genomics 利用合成生物學技術改造的藻類細胞持續分泌“生物石油”，在 2009 年與 ExxonMobil 公司達成了總值6 億美元的合作協議，有望在不久的將來實現大規模的工業化生產。美國海軍已經采用了美國 Solazyme 公司輸送的藻類來源燃料。更進一步，美國大陸航空公司（Continental Airlines Inc.）采用海藻提取物作為部分燃料，已于 2009 年實現首次商業飛行。

4.2.3 生物制氫 氫是非常理想的燃料。生物制氫是合成生物學工業化應用的又一重要研究項目。采用改造的細菌和藻類實現生物制氫的方案正在研發中[47]。目前最有前景的研究方案是采用合成的酶解通路，通過降解淀粉和水實現高效制氫[27]。此方案不僅僅可以制備氫燃料，將糖類物質視為氫的載體還緩解了存儲困難的問題。

4.3 環境治理

學者們正在積極努力地改進和運用人造微生物的特殊能力，期望能更有效地發揮其功能，從而解決現在及未來可能出現的問題。例如：利用 DNA 傳感器監測食物腐敗情況及土壤的養分含量[48]；采用人造微生物分泌的生物表面活性劑清除土壤和水體中的污染物，實現可控的生物修復[49]。

2010 年美國墨西哥灣及其他地區的原油泄露事故，對自然環境造成了惡劣影響。應用合成生物學改造的微生物將能夠更有效地控制污染，并保護生態環境[50]。此外，合成生物學技術也已經用于有毒化工產品的生物降解，包括處理工業生產中常用的冷卻劑、溶劑、爆炸物以及石油、煤炭及焦油的燃燒殘渣等[51-52]。

4.4 合成生物學為公眾健康服務

4.4.1 藥物研發 通過改造生命體的代謝通路來認識和控制生產藥物的代謝過程，早已得到廣泛應用，采用工程化細菌和細胞生產胰島素、疫苗等臨床藥物已有超過 30 年的歷史。與此相比，雖然合成生物學對于藥物研發的推動作用還處在初期，但其能夠更高效地篩選新藥，實現源頭創新以及優化制備工藝、降低生產成本等優勢正在逐漸顯現。

生物合成次級代謝產物是極具應用價值的研究之一，可以為藥物研發提供豐富資源。Keasling[53]重新設計了生產青蒿素的代謝途徑并提高了產能，令抗瘧藥的研究成果廣為人知，在制藥業巨頭賽諾菲-安萬特公司的積極運作下，這一采用合成生物學技術路線研制的藥物有望于 2012 年上市，其低廉的價格和穩定的供應將令無數患者受益。Cheng 等[54]構建了體外多酶全合成途徑，在兩個小時內合成出天然抗生素-腸道菌素，大大減少了藥物的生產環節并縮短了制備周期。此外，合成生物學技術還可用于構建藥物篩選相關的分子及細胞模型。

4.4.2 疫苗研制 合成生物學可提高疫苗研制能力的技術優勢，在甲型流感疫苗的制備過程中能夠得到突出體現：變異快是流感病毒的重要特點，因此流感疫苗也就具有很強的時效性。采用合成生物學技術可以在獲得臨床分離株的全部基因信息，而未獲得實物病毒株的情況下，通過從頭合成，快速得到完全一致的毒株，為疫苗研制提供樣本、爭取寶貴的時間，還有助于盡早開展對新流行株的傳染性與致病性研究，為政府制定防治策略提供信息。此外，合成生物學技術為研制新型、多價疫苗，構建用于疫苗篩選或培養的細胞株等重要環節提供了新方法。

4.4.3 醫療衛生 基因組學、分子生物學研究成果對于疾病預防與治療具有重要的參考價值，合成生物學則成為了將研究成果付諸實現的手段和工具。例如，針對腫瘤細胞的生長特點，Anderson 等[26]設計出可以根據機體內局部環境的改變（例如低氧環境）觸發藥物釋放或者終止功能的微生物，從而實現靶向殺傷腫瘤細胞。Lu 和 Collins[55]利用改造后具有酶解能力的噬菌體高效清除了生物膜上的細菌，可望用于醫療行業及工業生產的器械消毒及防治家畜疾病。

5 將知識轉化為生產力

合成生物學對于生命科學、能源與食品、公眾健康、經濟健康快速發展乃至國家安全都有著重要影響。英國皇家工程院于 2009 年 5 月發表的《合成生物學》藍皮書中提出：“合成生物學將注定成為創造國家財富至關重要的因素，……合成生物學對經濟的影響將很可能會接近、甚至超過一個世紀前化學合成所起的推動作用”。盡管目前大部分合成生物學的研究成果只是初具規模，但幾年內就將有若干應用產品推向市場[56]。根據從事市場情報分析的 Global Industry Analysts 公司預測，到 2015 年，合成生物學的全球市場總值將超過 45 億美元。

目前，美國主導了這一領域內開展的大多數研究項目。我國的合成生物學研究尚處于萌芽階段，但在學者們的積極推動下，已經獲得了廣泛的重視，國內企業也與科研機構聯合研發，力爭我國趕上新一波的科技與經濟浪潮。

6 結語

合成生物學在當代生物科技發展中誕生，正在推動人類社會進入一個新的時代。展望未來，由人類設計的各種微生物或其他人工生命，將廣泛應用于醫療、環境治療，能源生產等領域，高效為人類服務。

在科技發展的道路上，幾乎沒有一項技術是零風險的。當合成生物學直指創造生命的時候，風險也與利益相伴，人們的期盼與擔憂交織。圍繞合成生物學帶來的生物安全和生命倫理學等問題，已在科學界展開了十余年的熱烈討論，多國政府也對如何維護合成生物學的健康發展和防止其謬用予以高度關注。合成生命的研發需要在謹慎的引導下進行。

新興的合成生物學在異想天開的憧憬與積極的務實工作中逐步發展，必將加快“把科學技術轉化為現實生產力”的進程。這股勢不可擋的科技發展浪潮，必將對人類社會產生巨大而深遠的影響。

[1] Reviews and Notices of Books. Lancet, 1911, 178(4584):97-99.

[2] Szybalski W. In vivo and in vitro initiation of transcription. Adv Exp Med Biol, 1974, 44(1):23-24.

[3] Gardner TS, Cantor CR, Collins JJ. Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli. Nature, 2000, 403(6767):339-342.

[4] Elowitz MB, Leibler S. A synthetic oscillatory network of transcriptional regulators. Nature, 2000, 403(6767):335-338.

[5] Ten years of synergy. Nature, 2010, 463(7279):269-270.

[6] Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science, 2010,329(5987):52-56.

[7] Fraser CM, Gocayne JD, White O, et al. The minimal gene complement of Mycoplasma genitalium. Science, 1995, 270(5235):397-403.

[8] Hutchison CA, Peterson SN, Gill SR, et al. Global transposon mutagenesis and a minimal Mycoplasma genome. Science, 1999,286(5447):2165-2169.

[9] Kolisnychenko V, Plunkett G 3rd, Herring CD, et al. Engineering a reduced Escherichia coli genome. Genome Res, 2002, 12(4):640-647.

[10] Shetty RP, Endy D, Knight TF Jr. Engineering BioBrick vectors from BioBrick parts. J Biol Eng, 2008, 2:5.

[11] Kelly JR, Rubin AJ, Davis JH, et al. Measuring the activity of BioBrick promoters using an in vivo reference standard. J Biol Eng,2009, 3:4.

[12] Norville JE, Derda R, Gupta S, et al. Introduction of customized inserts for s-treamlined assembly and optimization of BioBrick synthetic genetic circuits. J Biol Eng, 2010, 4:17.

[13] Suthers PF, Dasika MS, Kumar VS, et al. A genome-scale metabolic reconstruction of Mycoplasma genitalium, iPS189. PLoS Comput Biol,2009, 5(2):e1000285.

[14] Gibson DG, Benders GA, Andrews-Pfannkoch C, et al. Complete chemical synthesis, assembly, and cloning of a Mycoplasma genitalium genome. Science, 2008, 319(5867):1215-1220.

[15] Cello J, Paul AV, Wimmer E. Chemical synthesis of poliovirus cDNA:generation of infectious virus in the absence of natural template.Science, 2002, 297(5583):1016-1018.

[16] Tian J, Gong H, Sheng N, et al. Accurate multiplex gene synthesis from programmable DNA microchips. Nature, 2004, 432(7020):1050-1054.

[17] Kodumal SJ, Patel KG, Reid R, et al. Total synthesis of long DNA sequences: synthesis of a contiguous 32-kb polyketide synthase gene cluster. Proc Natl Acad Sci U S A, 2004, 101(44):15573-15578.

[18] Kosuri S, Eroshenko N, Leproust EM, et al. Scalable gene synthesis by selective amplification of DNA pools from high-fidelity microchips.Nat Biotechnol, 2010, 28(12):1295-1299.

[19] Matzas M, St?hler PF, Kefer N, et al. High-fidelity gene synthesis by retrieval of sequence-verified DNA identified using high-throughput pyrosequencing. Nat Biotechnol, 2010, 28(12):1291-1294.

[20] Kuhlman B, Dantas G, Ireton GC, et al. Design of a novel globular protein fold with atomic-level accuracy. Science, 2003, 302(5649):1364-1368.

[21] Hu X, Wang H, Ke H, et al. Computer-based redesign of a beta sandwich protein suggests that extensive negative design is not required for de novo beta sheet design. Structure, 2008, 16(12):1799-1805.

[22] Dwyer MA, Looger LL, Hellinga HW. Computational design of a biologically active enzyme. Science, 2004, 304(5679):1967-1971.

[23] Otey CR, Landwehr M, Endelman JB, et al. Structure-guided recombination creates an artificial family of cytochromes P450. PLoS Biol, 2006, 4(5):e112.

[24] MacDonald JT, Barnes C, Kitney RI, et al. Computational design approaches and tools for synthetic biology. Integr Biol (Camb), 2011,3(2):97-108.

[25] Richardson SM, Nunley PW, Yarrington RM, et al. GeneDesign 3.0 is an updated synthetic biology toolkit. Nucleic Acids Res, 2010, 38(8):2603-2606.

[26] Anderson JC, Clarke EJ, Arkin AP, et al. Environmentally controlled invasion of cancer cells by engineered bacteria. J Mol Biol, 2006,355(4):619-627.

[27] Zhang YH, Evans BR, Mielenz JR, et al. High-yield hydrogen production from starch and water by a synthetic enzymatic pathway.PLoS One, 2007, 2(5):e456.

[28] Zhang H, Jiang T. Synthetic circuits, devices and modules. Protein Cell, 2010, 1(11):974-978.

[29] Neumann H, Slusarczyk AL, Chin JW. De novo generation of mutually orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase/tRNA pairs. J Am Chem Soc, 2010, 132(7):2142-2144.

[30] Neumann H, Wang K, Davis L, et al. Encoding multiple unnatural amino acids via evolution of a quadruplet-decoding ribosome. Nature,2010, 464(7287):441-444.

[31] Yang Z, Hutter D, Sheng P, et al. Artificially expanded genetic information system: a new base pair with an alternative hydrogen bonding pattern. Nucleic Acids Res, 2006, 34(21):6095-6101.

[32] Chen F, Yang Z, Yan M, et al. Recognition of an expanded genetic alphabet by type-II restriction endonucleases and their application to analyze polymerase fidelity. Nucleic Acids Res, 2011.

[33] Lee AH, Kool ET. Novel benzopyrimidines as widened analogues of DNA bases. J Org Chem, 2005, 70(1):132-140.

[34] Krueger AT, Lu H, Lee AH, et al. Synthesis and properties of size-expanded DNAs: toward designed, functional genetic systems.Acc Chem Res, 2007, 40(2):141-150.

[35] Loose M, Fischer-Friedrich E, Ries J, et al. Spatial regulators for bacterial cell division self-organize into surface waves in vitro.Science, 2008, 320(5877):789-792.

[36] Trajkovic K, Hsu C, Chiantia S, et al. Ceramide triggers budding of exosome vesicles into multivesicular endosomes. Science, 2008,319(5867):1244-1247.

[37] Mansy SS, Schrum JP, Krishnamurthy M, et al. Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell. Nature, 2008,454(7200):122-125.

[38] Forster AC, Church GM. Towards synthesis of a minimal cell. Mol Syst Biol, 2006, 2:45.

[39] Chan LY, Kosuri S, Endy D. Refactoring bacteriophage T7. Mol Syst Biol, 2005, 1:2005.0018.

[40] Lartigue C, Glass JI, Alperovich N, et al. Genome transplantation in bacteria: changing one species to another. Science, 2007, 317(5838):632-638.

[41] Tolonen AC, Haas W, Chilaka AC, et al. Proteome-wide systems analysis of a cellulosic biofuel-producing microbe. Mol Syst Biol,2011, 7:461.

[42] Rulkens W. Sewage sludge as a biomass resource for the production of energy: overview and assessment of the various options. Energy Fuels,2008, 22(1):9-15.

[43] Savage DF, Way J, Silver PA. Defossiling fuel: how synthetic biology can transform biofuel production. ACS Chem Biol, 2008, 3(1):13-16.

[44] Atsumi S, Hanai T, Liao JC. Non-fermentative pathways for synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels. Nature, 2008,451(7174):86-89.

[45] Beer LL, Boyd ES, Peters JW, et al. Engineering algae for biohydrogen and biofuel production. Curr Opin Biotechnol, 2009,20(3):264-271.

[46] Chisti Y. Biodiesel from microalgae. Biotechnol Adv, 2007, 25(3):294-306.

[47] Clomburg JM, Gonzalez R. Biofuel production in Escherichia coli: the role of metabolic engineering and synthetic biology. Appl Microbiol Biotechnol, 2010, 86(2):419-434.

[48] Scrinis G, Lynos K. Nanotechnology and the techno-corporate agri-food paradigm//Lawrence G, Lyons K, Wallingto T. Food security,nutrition and sustainability. London: Earthscan, 2010:252-270.

[49] Cameotra SS, Makkar RS. Recent applications of biosurfactants as biological and immunological molecules. Curr Opin Microbiol, 2004,7(3):262-266.

[50] Hazen TC, Dubinsky EA, DeSantis TZ, et al. Deep-sea oil plume enriches indigenous oil-degrading bacteria. Science, 2010, 330(6001):204-208.

[51] de Lorenzo V. Systems biology approaches to bioremediation. Curr Opin Biotechnol, 2008, 19(6):579-589.

[52] Kirby JR. Designer bacteria degrades toxin. Nat Chem Biol, 2010,6(6):398-399.

[53] Keasling JD. Manufacturing molecules through metabolic engineering.Science, 2010, 330(6009):1355-1358.

[54] Cheng Q, Xiang L, Izumikawa M, et al. Enzymatic total synthesis of enterocin polyketides. Nat Chem Biol, 2007, 3(9):557-558.

[55] Lu TK, Collins JJ. Dispersing biofilms with engineered enzymatic bacteriophage. Proc Natl Acad Sci U S A, 2007, 104(27):11197-11202.

[56] Sheridan C. Making green. Nat Biotechnol, 2009, 27(12):1074-1076.