【科普园地】编程生命:AI驱动下的合成生物学革命与未来图景

当我们谈论"编程"时，脑海中浮现的往往是计算机代码与电子设备。然而，在21世纪的生命科学领域，一场更为深刻的革命正在发生——科学家们正在用DNA作为"编程语言"，将细胞改造成能够执行特定生命健康相关任务的"生物计算机"。这就是合成生物学，一门被称为"第三次生物技术革命"的交叉学科，它正深刻重塑我们研发药物、治疗疾病、守护生命健康的方式，也是北京生物工程学会重点关注的前沿赛道之一。

合成生物学的诞生并非一蹴而就，它建立在分子生物学半个多世纪的理论与技术积累之上，而其发展始终与生物医药、生命健康领域的需求同频共振，每一步突破都为人类健康保障提供了新的可能。

1953年，沃森和克里克揭示了DNA双螺旋结构，人类首次窥见了生命的"源代码"，为后续生命健康领域的技术突破奠定了坚实的分子基础。随后的几十年里，遗传密码的破译、限制性内切酶的发现、PCR技术的发明以及人类基因组计划的启动，逐步为人类"阅读"和"书写"生命、攻克疑难疾病提供了核心工具。1965年，中国科学家在全球首次人工合成具有生物活性的蛋白质——牛胰岛素，不仅标志着中国在合成生命科学领域迈出了历史性的第一步，更为多肽类药物的研发开辟了全新路径。

2000年，美国科学家成功在大肠杆菌中利用基因元件构建"逻辑线路"，标志着合成生物学作为一门独立学科正式诞生。这一突破将工程学的"模块化"思想引入生物学，使科学家能够像组装电子元件一样组合基因片段，构建具有特定医疗功能的生物系统，为生物医药研发提供了全新思路与技术框架。

2003年，美国加州大学伯克利分校杰伊·D·科斯林教授课题组在大肠杆菌中成功合成青蒿酸的前体物——青蒿二烯，开启了人造细胞工厂生产植物来源药用化合物的新时代，为抗疟药物的规模化生产提供了高效新方案。2010年，美国生物学家克雷格·文特尔研究团队成功创造出第一个完全由合成基因组构成的原核生物——"辛西娅1.0"，证明了人工合成的基因组能够精准控制细胞的生命活动，为定制化医疗微生物的研发奠定了核心基础。

2018年，中国科学院分子植物科学卓越创新中心覃重军团队成功创建世界首例人工单染色体真核细胞，这是继人工合成结晶牛胰岛素之后，中国科学家在合成生物学领域取得的又一里程碑式成果，为人类细胞改造、遗传病治疗提供了全新的研究模型。与此同时，国际酿酒酵母基因组合成计划（Sc2.0）顺利推进，中国科学家参与完成了其中6条染色体的合成工作，既展现了我国在基因组设计与合成领域的强大实力，也为生物医药领域的创新发展提供了坚实技术支撑。

进入21世纪第三个十年，人工智能技术的爆发式发展为合成生物学带来了前所未有的机遇，尤其在生物医药、再生医学、生命健康领域，成功实现了从"理性设计"到"精准设计"的跨越，大幅缩短研发周期、降低研发成本，推动相关技术快速从实验室走向临床应用。传统合成生物学依赖"试错法"，在药物研发、细胞改造等方面效率低下，而AI技术通过深度学习海量生物医学数据，能够精准预测生物系统的行为，让生命健康领域的创新更具针对性和高效性。

基因线路是合成生物学的核心，它由启动子、核糖体结合位点（RBS）、编码区和终止子等"生物元件"组成，能够像电子线路一样执行逻辑运算，精准控制基因表达，是生物医药、细胞疗法研发的核心技术之一。

近年来，生成式AI在基因调控元件设计方面取得重大突破，尤其在肿瘤、遗传病等领域成效显著。2025年，发表在《Nature Genetics》上的研究提出了DNA-Diffusion模型，能够从随机噪声中生成细胞特异性的DNA调控元件，成功在细胞中重启了白血病保护基因AXIN2，为白血病的精准治疗提供了全新靶点。中国科学院深圳先进技术研究院娄春波课题组与清华大学汪小我课题组合作，提出基于深度学习与绝缘化原理的合成生物顺式调控元件从头设计方法，解决了长期困扰该领域的"数据污染"问题，显著提高了模型预测的准确性和通用性，为基因治疗、细胞疗法的研发提供了有力技术支撑。

最新的GeneDiff-LM模型更是实现了基因线路的全自动设计：只需输入一句自然语言需求（如"当检测到肿瘤标志物时精准表达抗癌蛋白"），模型就能输出可直接合成的完整基因线路，一次合成成功率达94%，功能正确率达90%，将基因治疗相关研发周期从传统的6-9个月缩短至2周，大幅加速了生物医药领域的创新进程。与此同时，华东师范大学叶海峰教授课题组聚焦医学合成生物学，用合成生物思想搭建基因线路或生物传感器，如同为细胞配备智能软件，重点研发遗传控制、智能细胞等技术，破解活体药物体内可控与精准控制的核心难题，推动活体药物加速向临床落地。

代谢通路构建是合成生物学在生物医药领域最具产业化价值的应用方向之一。通过AI优化酶组合与调控策略，科学家能够精准改造微生物的代谢网络，使其高效合成高附加值药用化合物、药物中间体，打破传统药物合成的瓶颈，有效降低药物生产成本、提升药物纯度，助力生物医药产业高质量发展。

在药物中间体生产方面，科伦瑞康自主研发的智擎AI生物合成系统成功攻克麦角流音的规模化量产难题。麦角流音是多种抗偏头痛、抗震颤麻痹药物的核心中间体，该系统通过AI辅助筛选最佳合成路径、设计改造关键酶，将麦角流音的产物效率提高30%，发酵水平提升近百倍，产品纯度高达99.99%，为相关药物的规模化生产提供了坚实保障，有效提升药物可及性。

此外，AI辅助的代谢通路优化技术，还广泛应用于抗生素、多肽药物、疫苗等产品的研发中。例如，通过AI设计微生物代谢通路，能够高效合成新型抗生素，有效应对抗生素耐药性这一全球生命健康领域的重大挑战；在疫苗研发中，AI优化的代谢通路可大幅提升疫苗抗原的表达量，缩短疫苗研发周期，为突发公共卫生事件的应对提供技术支撑。叶海峰教授团队设计的"PULSE系统"，将尿酸传感器植入益生菌底盘，可在尿酸浓度过高时激活传感器、输出降尿酸酶，将尿酸转化为尿囊素，大鼠实验显示其降尿酸效果与临床药物相当且副作用更低，相关技术已落地试用，为高尿酸血症患者提供了更安全的治疗选择。

如果说基因线路设计是对生命"软件"的局部修改，那么基因组设计则是对生命"操作系统"的全面重构。AI技术的飞速发展，让科学家能够从头设计并合成全新的微生物基因组，赋予其天然生物所不具备的医疗功能，为生物医药、再生医学领域提供了全新解决方案。

在细胞治疗领域，AI驱动的基因组设计正推动CAR-T细胞疗法、干细胞疗法持续升级。通过设计全新的免疫细胞基因组，能够显著增强免疫细胞对肿瘤细胞的识别能力和杀伤能力，降低细胞疗法的副作用，提升临床治疗效果。例如，针对实体瘤治疗，叶海峰教授团队开发出超声与近红外光调控的溶瘤细菌活体药物，以VNP20009为底盘，装载超声控制的遗传开关系统，可原位释放多种抗肿瘤药物；近红外光调控系统则能远程控制细菌免疫检查点抑制剂等，在CDX、PDX肿瘤模型中均实现良好治疗效果，为实体瘤治疗开辟了全新路径。在遗传病治疗方面，AI辅助设计的基因编辑工具，能够精准修复致病基因，为单基因遗传病、罕见病的治疗带来新希望，目前已有多项相关技术进入临床实验阶段。

在再生医学领域，AI设计的干细胞基因组能够有效提升干细胞的分化效率和定向分化能力，为人工组织、器官的培育提供核心技术支撑。通过改造干细胞基因组，科学家能够引导干细胞定向分化为心肌细胞、神经细胞、肝细胞等，用于修复受损组织和器官，有效解决器官移植供体短缺、免疫排斥等难题，为终末期疾病患者带来生的希望。这一技术还与合成生物学在生物材料工程中的应用相辅相成，推动诊疗一体化biomaterials快速发展，让生物材料从惰性材料向响应性实体升级，更好适配人体微环境需求，助力再生医学加速落地应用。

合成生物学在生命健康领域的产业化落地，离不开高通量、自动化的实验平台。自动化生物铸造厂（Biofoundry）集成机器人技术、自动化仪器和AI算法，能够实现"设计-合成-测试-学习"（DBTL）循环的全流程自动化，将生物医药、细胞疗法相关实验效率提升100倍以上，大幅缩短研发周期，推动技术快速转化落地。

目前，全球已有数十个生物铸造厂投入运行，且重点聚焦生物医药、生命健康领域。伊利诺伊大学的研究团队构建了完全无需人工判断的自主酶工程系统，仅用4周时间，通过不到500个变体的构建，就将两种药用酶的性能分别提升16倍和26倍，为药物合成提供了高效工具。这些自动化平台能够快速筛选最优基因线路、微生物菌株和酶组合，加速药物研发、细胞改造等进程，推动合成生物学技术从实验室稳步走向临床应用。

2025年8月，工业和信息化部公布的第一批"人工智能在生物制造领域典型应用案例"中，多个案例聚焦生物医药领域，涵盖药用菌株设计、药物发酵调控、产物分离纯化等多个环节，标志着我国AI与生物制造在生命健康领域的融合进入产业化应用新阶段，也为合成生物学在生物医药领域的发展营造了良好产业环境。

合成生物学作为北京生物工程学会重点关注的前沿赛道之一，其在生物医药、再生医学、生命健康领域的发展，始终与学会推动生物工程领域创新发展、守护人类生命健康的初心同频共振。未来，在AI技术的持续赋能下，合成生物学将在生命健康相关领域持续突破、释放更多产业价值，而这也将是学会持续关注、推动交流合作的核心方向之一。

在生物医药领域，合成生物学将彻底改变传统药物研发模式，AI与合成生物学的深度融合，将推动个性化药物、新型疫苗、靶向药物、活体药物快速研发，针对肿瘤、罕见病、自身免疫性疾病等疑难疾病，提供更精准、更安全、更高效的治疗方案，同时降低药物研发成本、提升药物可及性，让更多患者受益。

在再生医学领域，合成生物学将推动人工组织、器官培育技术不断成熟，通过AI设计的干细胞和基因线路，实现受损组织的精准修复和器官的体外培育，有效解决器官移植供体短缺、免疫排斥等难题，为终末期疾病患者带来新的治疗希望；同时，合成生物学技术还将推动组织工程、创面修复等领域持续发展，进一步提升再生医学的临床应用效果。

在生命健康保障领域，合成生物学将推动精准医疗、预防医学全面升级，通过定制化微生物、基因检测工具等，实现疾病的早期筛查、精准诊断和个性化干预，推动健康理念从"治病"向"防病"转变，助力全民健康水平提升。例如，口服智能益生菌的研发将进一步拓展，针对不同代谢性疾病、消化系统疾病等，开发更具针对性的健康产品，兼顾疗效与安全性。

值得注意的是，合成生物学只是北京生物工程学会关注的众多前沿赛道之一。除合成生物学外，学会还聚焦生物制药、细胞工程、生物检测、精准医疗等多个与生命健康紧密相关的核心领域，全方位覆盖生物工程产业前沿，搭建学术交流、产学研融合、人才培养的桥梁，助力我国生物工程领域全面发展，共同守护人类生命健康。

编程生命的探索之路，既是合成生物学领域的创新之旅，也是生物工程产业助力生命健康发展的一个缩影。作为一门兼具科学性与产业化价值的前沿学科，合成生物学正以惊人的速度改变着我们研发药物、治疗疾病、守护生命的方式，为生物医药、再生医学领域的发展注入强劲动力，也为人类生命健康提供了全新保障路径。

北京生物工程学会始终以推动生物工程领域高质量发展、守护人类生命健康为使命，密切关注合成生物学等各类前沿赛道的技术突破与产业进展，积极搭建交流合作平台，促进产学研用深度融合，凝聚行业力量、助力科研成果转化，守护技术创新的伦理与安全，推动合成生物学在生命健康领域规范、有序发展。

未来，学会将继续深耕包括合成生物学在内的多个与生命健康相关的核心赛道，持续关注行业动态、搭建交流桥梁、培育专业人才，与广大科研工作者、企业从业者携手，共同推动我国生物工程领域实现跨越式发展，让合成生物学技术更好地赋能生命健康，书写生命科学与产业融合的新篇章。

本文由AI辅助生成

资料来源：

1. 央视新闻：《重大突破!我国科学家成功创建世界首例人工单染色体真核细胞》，2018年8月2日

2. PMC：《Governing Synthetic Biology: A Co-Evolutionary Framework for Sustainable Innovation》

3. 文汇网：《"合成生命"打开人类认识生命新窗口!看人造单染色体酵母如何书写里程碑式奇迹》，2018年8月5日

4. 中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所：《Nucleic Acids Research | 基于深度学习与绝缘化原理的合成生物顺式调控元件从头设计》，2025年7月4日

5. Nature Genetics：《Designing synthetic regulatory elements using the generative AI framework DNA-Diffusion》，2025年

6. 光明网：《16个上榜!第一批人工智能在生物制造领域典型应用案例公布》，2025年8月13日

7. 新华网客户端：《我国合成生物企业破解PHA量产难题，实现三大突破》，2025年5月13日

8. 央视界：《当AI技术遇上合成生物》，2025年8月9日

9. Trends in Biotechnology：《Towards establishing functional nitrogenase activities within plants》

10. Oxford Academic：《High-throughput yeast engineering in biofoundries: towards autonomous and scalable synthetic biology》，2026年

11. Nature Communications：《Autonomous enzyme engineering via closed-loop machine learning and robotics》，2025年

12. 生物通：《综述:新兴合成生物学生物铸造平台的结构》，2025年11月2日

13. 中国网：《CBMIF2025丨华东师范大学教授叶海峰:用医学合成生物学技术打造可控、安全的活体药物》，2025年9月28日

14. PMC：《Engineering the next generation of theranostic biomaterials with synthetic biology》

本文章由

北京生物工程学会编辑发表

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