中國科學院合成生物學重點實驗室

中國科學院分子植物科學卓越創新中心/植物生理生態研究所 上海 200032

近年來，合成生物學的興起和迅速發展引起了國內外科技界的高度重視，相繼建立了一些合成生物學的相關研究機構。美國的合成生物學工程研究中心成立于 2006 年，隨后加州大學伯克利分校、麻省理工學院等成立了各自的合成生物學中心。英國自 2009 年建立第一個合成生物學研究中心以來，又建立了 7 個多學科交叉的合成生物學研究中心和 1 個產業中心，有超過 30 所大學成立了大大小小的合成生物學研究中心。另外，法國成立了系統與合成生物學研究所，德國成立了合成微生物學中心等。

中國科學院合成生物學重點實驗室于 2008 年 12 月成立，是國內第一個合成生物學重點實驗室。隨后成立了中國科學院系統微生物工程重點實驗室、微生物生理與代謝工程重點實驗室、生物燃料重點實驗室、生物基材料重點實驗室等。2012 年，天津大學化學化工協同創新中心建立了合成生物學研究平臺；2015 年，清華大學和北京大學建立了合成生物學研究中心；2017 年，中國科學院深圳先進技術研究院成立合成生物學研究所。

中國科學院合成生物學重點實驗室定位為合成生物學應用基礎研究。實驗室以發展合成生物學基礎理論和創新使能技術為主導，建立合成生物學關鍵工程平臺；針對能源、環境、健康等方面的國家需求，在分子、細胞和微生物菌群等層次上，實施合成生物學創制；并通過轉化研究，推動科研成果產業化。

1 主要研究方向

實驗室面向合成生物學前沿領域，面向資源、醫藥、制造和環境等國家重大需求，創新合成生物學理論與技術，建立并發展關鍵使能技術的工程化平臺，培育及發展合成生物學創制鏈。包括以下 3 個主要研究方向。

（1）合成生物學理論與方法學基礎研究。研究人工生物系統（包括基因線路與基因組工程）的設計原理；研究核酸和蛋白質器件的鑒定、設計、合成及優化；研究生物網絡和底盤的構成及調控原理；建立全細胞數學模型，實現生物系統的計算機輔助設計與模擬。

（2）合成生物學使能技術創新與工程化。建立標準化通用型生物器件庫；開發核酸和蛋白質合成及組裝技術；開發底盤細胞高效遺傳操作與編輯技術；開發功能分子、代謝網絡及表型的新型檢測分析技術。

（3）合成生物學創制鏈的培育與發展。針對經濟社會發展面臨的重大需求與挑戰，創新和集成實用生物技術，形成工程化技術平臺；實現重要功能代謝物的合成生物學創制；通過“生產發現問題—研究提供方案—解決生產問題”的轉化型研究模式，實現科研與生產緊密結合，推動科研成果產業化。

2 隊伍建設

實驗室擁有一支結構合理、創新能力強、富有活力的研究隊伍。現有人員總數為 125 名；其中固定人員為 59 名，包括研究員 13 名、副研究員 9 名、高級工程師 1 名、高級實驗師 2 名。實驗室現有中國科學院院士 1 名、國家杰出青年基金獲得者 3 名、優秀青年基金獲得者 1 名、“中組部青年千人計劃”入選者 2 名、中國科學院“百人計劃”入選者 6 名、上海“浦江人才計劃”入選者 4 名。研究隊伍年輕、富有活力，其中 40 歲以下的研究人員 44 名，占固定人員總數的 75%。實驗室現有博士后 5 名，博士研究生 38 名，碩士研究生 23 名。實驗室從學科發展和研究隊伍結構完善出發，積極引進人才，構建合理的研究隊伍結構；積極創造條件，鼓勵團隊合作，促進中青年學科帶頭人的迅速成長。

3 研究生培養

實驗室發揮人才培養基地的作用，做好研究生培養工作。2017 年在讀研究生 78 名，其中碩士研究生 29 名，博士研究生 49 名。2008—2017 年，出站博士后 25 名。在 123 名畢業研究生中，2 人獲中國科學院院長獎優秀獎，1 人獲中國科學院優秀博士學位論文，12 人獲得國家獎學金。2014 年開始為研究生開設了合成生物學的專業課程《微生物系統與合成生物學》，邀請國內該領域的優秀專家前來授課。實驗室全方位地關心學生們的成長，充分調動他們的工作積極性和主動性，使他們成為活躍在科研第一線的生力軍。

4 能力建設和技術平臺

實驗室多個研究團隊聯合攻關，建立了谷氨酸棒桿菌、絲狀真菌等 10 余種工業微生物的基因組編輯技術，建立了 7 種 DNA 高效組裝與編輯技術以及 RNA 精準編輯技術，構建了天然產物合成元件庫、重組酶庫以及一系列底盤細胞，極大縮短了人工生物系統的構建時間。建立了代謝流量組與代謝組分析技術平臺、多維組學大數據分析技術平臺，指導人工生物系統的構建過程。

實驗室公用儀器平臺現有通用儀器設備約 20 臺件，價值約 1 500 萬元。主要包括氣相色譜-質譜聯用儀、液相色譜-飛行時間質譜儀、核磁共振分析儀、高效液相-三重四極桿-線性離子阱液質聯用儀、分析型高壓液相儀、（半）制備型高壓液相儀、熒光分光光度計、大容量冷凍高速離心機、高速/超速離心機、膜片鉗放大器，以及多套電腦程控的發酵罐裝置等。價值超過 50 萬元的儀器設備 7 臺。

2008—2017 年，實驗室主持和承擔了 201 項研究項目，其中國家級和省部級項目 140 項；主持國家“973”計劃項目 1 項，“973”計劃課題 12 項，“863”計劃課題 9 項，國家自然科學基金委創新群體項目 1 項、重點項目 2 項、面上項目 24 項，中國科學院知識創新工程項目 10 項、重點部署項目 4 項、科技服務網絡計劃（STS）項目 1 項；到位經費 14 263.17 萬元，人均經費 269 萬元。趙國屏院士主持的“973”項目“新功能人造生物器件的構建及集成”（2012—2016 年），項目結題驗收與財務驗收結果均為優秀。

2008—2017 年，實驗室共發表 SCI 論文 400 余篇，其中在 Nature、Science、Nature Chemical Biology 和 PNAS 等權威刊物上發表論文 69 篇；申請專利 127 項，授權專利 74 項，其中“D-氨甲酰水解酶的突變體及其應用”獲 2015 年第十七屆中國專利優秀獎；與浙江海正藥業公司合作，多拉菌素、尼莫克汀和米爾貝霉素實現產值 7.8 億元，“基因組工程構建多拉菌素工業生產菌及其產業化技術”獲 2014 年上海市技術發明獎二等獎；與多家企業合作生產重組酶、氨基酸及醫藥中間體，累計銷售額 147.9 億元，“酶工程技術體系創新及其在氨基酸與醫藥中間體生產上的應用”獲 2015 年上海市科技進步獎一等獎、2016 年度中國科學院科技促進發展獎。