基于合成生物技術構建高效生物制造系統的研究進展

張曉龍，王晨蕓，劉延峰 ，李江華 ，劉龍，堵國成

（1 江南大學糖化學與生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2 江南大學未來食品科學中心，江蘇 無錫214122；3江南大學工業生物技術教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122）

生物制造技術最早可追溯到幾千年前，當時人類已經懂得使用天然微生物進行釀酒制醋，但天然的生物制造系統已逐漸無法滿足當下工業生產的需求，因此如何獲得綠色高效、多元穩健的生物制造系統是目前亟待解決的關鍵問題之一。隨著基因編輯工具、多組學及生物信息學等技術的交叉發展，基于合成生物技術構建非天然的高效生物制造系統變得日益簡便。本文首先概述了當前常用于構建高效生物制造系統的合成生物技術；其次，對大腸桿菌、芽孢桿菌屬、谷氨棒酸桿菌以及酵母屬等典型模式宿主制造系統的代謝特性與產品應用進行了總結探究。最后，對構建高效生物制造系統的發展趨勢進行了展望。

1 合成生物技術路線概述

合成生物學是基因組工程、酶工程、代謝工程和生物信息學等技術交叉發展形成的一門學科。在此，本文依據策略的目的性，將常見的合成生物技術劃分為以下4個模塊進行簡要概述（圖1）：

圖1 高效生物制造系統的構建Fig.1 Construction of high-efficiency biomanufacturing system

（1）合成途徑關鍵基因的代謝調控 提高合成途徑的代謝通量是代謝工程的關鍵目標之一。首先，通過生物信息學確定目標代謝物的合成途徑，并基于啟動子工程、核糖體結合位點（RBS）優化、增加基因拷貝數等策略，強化關鍵基因的表達量，從而使得代謝通量更多地流向目的產物的代謝合成途徑。其次，抑制或敲除生物制造系統內源性的支路競爭途徑。傳統的靜態調控策略雖然可以一定程度上優化生物制造系統，但會導致新問題的出現，即生物制造系統自身生長與目標產物代謝合成存在底物能量競爭矛盾。因此，為了進一步構建高效的生物制造系統，動態調控策略應運而生。相比于靜態調控策略，基于響應元件構建的動態調控系統可以使得生物制造系統在特定時間點自發性地實現代謝通量的配比流向，從而平衡菌體生長與產品合成之間的底物能量競爭矛盾［1-2］。

（2）酶工程 豐度是“量”，活性是“質”，豐度與活性共同決定了酶的“質量”——催化效率。提高豐度雖可以一定程度上優化酶的催化效率，但當豐度提高至某一閾值后，酶的催化效率會無法繼續顯著提高，甚至會出現催化效率下降等現象，此時對酶進行“質”層面的優化改造顯得尤為重要［3］。高催化活性的作用酶是高效生物制造系統的基石，其不僅可以提高產物代謝合成效率，同時有助于降低酶的豐度，從而緩解生物制造系統超負荷運行的問題。酶工程主要包括基于結構分析的半理性設計和基于定向進化策略的非理性設計。半理性設計的優勢在于其突變文庫較小，無需高通量篩選，但該策略受限于實驗和模擬獲取酶蛋白結構的數量和精確性。基于定向進化策略的非理性設計可以通過DNA shuffling、較大范圍的底物結合口袋關鍵氨基酸的飽和突變、胞內外突變文庫的構建等技術實現特定酶的定向進化，建立合適的高通量篩選模型是非理性設計策略的關鍵。

（3）輔助系統優化 除對相關代謝途徑的關鍵基因的調控表達外，調控適配優化針對目標產物的特異性輔助系統亦至關重要，其可以平衡輔因子循環、緩解蛋白合成壓力、毒性產生及解除副產物抑制等問題［4］。Gu 等［5］在產 GlcNAc 的工程菌中重構還原力代謝途徑，替換丙酮酸到乙酰輔酶A、蘋果酸到草酰乙酸等內源代謝途徑，避免NADH 的過剩，進而實現胞內氧化還原平衡，最終GlcNAc 的發酵產量提高了4.06 倍。另外，分子伴侶參與的蛋白加工輔助系統，對于酶蛋白的大量合成有重要意義［6］。設計構建多重基因回路，采用細胞微室和蛋白自組裝等策略，可以顯著平衡產物代謝與細胞生長的代謝競爭，緩解代謝中間產物對生物制造系統自身的毒害性［7-8］。Wang等［9］開發了基于定量調控水蛭透明質酸酶消除透明質酸“莢膜層”的策略，解除了透明質酸在胞外包裹細胞對其形態和代謝的影響，最終低分子量透明質酸產量高達74.1 g/L。

（4）發酵過程控制與優化 隨著合成生物技術的快速發展，單批次需要進行發酵驗證的宿主數量愈發擴增，如仍采用常規搖瓶或發酵罐直接進行發酵性能驗證，將會導致科研工作效率降低。因此逐漸形成了從96 孔板發酵規模開始，依次到500 mL 錐形瓶、1～5 L 玻璃無壓力發酵罐、10～50 L 不銹鋼壓力發酵罐小試、2～5 t 發酵中試、20～60 t發酵罐（或100 t級別發酵罐）的多級發酵驗證過程。由于不同規模級別發酵設備的差異性，宿主在不同發酵規模過程中其生長代謝過程不盡相同，其最適的發酵過程參數亦需依據放大準則進行調整優化［10］。宿主、目標產物及代謝工程改造策略的差異造成了發酵過程的高度特異性與復雜性，因此發酵過程的控制與優化目前尚無高度普適性策略。

以上是當前合成生物技術領域中應用較為廣泛的4種策略，基于這幾種合成生物技術，研究人員已構建出許多發酵性能優異、魯棒性強的非天然生物制造系統。然而千里之行始于足下，構建滿足需求的高效生物制造系統的首要任務則是選擇適合的天然宿主作為出發點，不同的天然宿主其代謝特性與適用范圍具有高度的差異性，如果最初的天然宿主選擇正確，采用合成生物技術對其進行改造則事半功倍。因此，本文接下來將對目前典型模式宿主進行概述，并對其優劣勢與適用范圍進行詳細比對總結。

2 典型模式宿主系統及適用范圍

2.1 大腸桿菌

發酵周期短、遺傳背景清晰、具有成熟的基因編輯工具以及多元化的代謝調控策略使得大腸桿菌成為最重要的非糖基化重組蛋白表達系統（表1）［11-12］。大腸表達系統通常分為宿主、質粒復制子、啟動子（lac、tac、T7、araPBAD、pL 和cspA等）、親和標簽（poly-Arg-tags、poly-His-tags、FLAG-tags、c-Myc-tags、Strep Ⅱ-tags 等短肽和麥芽糖結合蛋白MBP 等融合蛋白）［13］、裂解序列（腸激酶、凝血酶、Ⅹa 因子和TEV）、抗性標記和終止子等［14］。

（1）宿主 BL21（DE3）菌株，Lon蛋白酶和胞外蛋白酶OmpT的缺失減少了內源性蛋白酶對目的蛋白表達的影響；其次，hsdSB突變使其失去DNA 甲基化和降解能力。AD949 菌株，其硫氧還蛋白還原酶（trxB）存在突變，有利于二硫鍵的形成。HMS174 菌株，DNA 重組和修復蛋白基因（recA）的突變，可以避免質粒多聚體導致的質粒低穩定性問題。以上所述大腸桿菌宿主均含有λDE3系統，可以使用T7表達系統。

（2）質粒 依據目的基因預期表達水平選擇具有不同復制子的質粒。例如，野生型ColE1 為15～20 拷貝、pET 系列擁有衍生自 ColE1 的 pMB1復制子為15～60 拷貝、衍生自pMB1 的pUC 系列為500～700 拷貝。以上3 個系列的質粒的復制子均來源于ColE1。為了實現雙質粒共存，可以選擇10～12拷貝的帶有p15A復制子的pACYC和pBAD質粒，甚至可以進一步選擇拷貝數低于5 的pSC101質粒，實現三質粒共存。

（3）啟動子 啟動子在一定程度上決定了其控制基因的轉錄水平。lac 啟動子作為初始啟動子表達強度較弱，而由色氨酸啟動子的-35 區和lac啟動子的-10 區組成的tac 啟動子，其表達強度顯著提高。T7啟動子是應用較為廣泛的啟動子之一，基于T7溶菌酶或者lac O 機制可以設計構建誘導型表達系統。嚴格誘導型啟動子araPBAD，AraC 蛋白具有阻遏/激活雙重作用，無阿拉伯糖時，AraC 蛋白通過結合阻遏抑制轉錄；存在阿拉伯糖時，AraC 蛋白激活并促進啟動子的轉錄［15］。低溫誘導型啟動子cspA，當溫度為15 ℃時該啟動子開始表達［16］。高溫誘導型啟動子PR，當溫度為30 ℃時，熱敏型阻遏蛋白CI857結合抑制轉錄，當溫度升至37 ℃時 PR啟動子開始表達［17］。

（4）親和標簽和裂解標簽 親和標簽poly-His-等可用于Western blot 或樹脂純化，麥芽糖結合蛋白（MBP）、N-利用底物蛋白A（NusA）、硫氧還蛋白（Trx）、谷胱甘肽-S-轉移酶（GST）、泛素蛋白（ubiquitin）、類泛素蛋白修飾分子SUMO和鈣結合蛋白Fh8 等，可以增加目的蛋白溶解度。由于MBP 具有內在伴侶活性，其促溶效果比GST更加顯著，且MBP 可以與直鏈淀粉-瓊脂糖結合，GST 可以與谷胱甘肽-瓊脂糖結合，因而具有這兩種標簽的融合蛋白可通過親和色譜進一步純化。Fh8 在去除標簽后仍擁有較好的溶解性，而其他標簽在去除后無法預測最終的溶解度［18］。此外，β折疊標簽可以使蛋白在鈣存在的條件下選擇性沉淀，類彈性蛋白多肽標簽（ELP）可以通過轉變溫度的可逆沉淀來純化蛋白［19］。由于帶His 標簽的TEV具有高特異性，切割后僅留下絲氨酸或甘氨酸殘基，其已成為應用最廣泛的裂解序列［20］。表達毒性蛋白時，一方面可以通過選取弱化表達強度的C41（DE3）菌株；另一方面則可以選取Lpp、LamB 和LTB 等分泌型信號肽［21］或借助二硫鍵異構酶Ⅰ（DsbA）的信號肽序列通過信號識別顆粒（SRP）途徑將毒性蛋白表達分泌至細胞周質空間［22-23］。相比于細胞質，大腸桿菌的周質空間更有利于二硫鍵的形成，因此含有二硫鍵的蛋白更適合表達分泌至周質空間［24］。強化分子伴侶ClpB、GroES-GroEL、DnaK、DnaGrpE 等的表達會顯著提高蛋白表達質量［25］。低溫培養的生物制造系統不僅可以降低蛋白質的合成速率，而且可以減弱蛋白疏水相互作用導致的聚集性，有助于蛋白折疊質量的提高［26］。

盡管大腸桿菌是表達異源蛋白最常用的表達系統，然而其適用范圍仍存在一定的局限性。大腸桿菌不適用于表達需要翻譯后修飾的蛋白，例如二硫鍵異構化、酯化、糖基化、脯氨酸順反異構化、磷酸化或硫酸化等［27］。大腸桿菌蛋白表達系統也不適于表達膜蛋白，以及大于60 kDa 的蛋白［14］。為了解決天然大腸桿菌宿主的蛋白表達缺陷，基于合成生物技術，通過基因工程優化其二硫鍵形成系統，并引入異源糖基化、磷酸化和乙酰化系統，增強其表達部分需要翻譯后修飾蛋白的能力［28-30］。

同樣的，大腸桿菌也是制備生物制品的理想底盤細胞。弱化TCA 循環，強化糖酵解途徑，內源性代謝產物如丙酮酸［31］、蘋果酸［32-33］、乙酰輔酶A［34］等均可在大腸桿菌內實現高效生產。Huang 等［35］以大腸桿菌 W3110 為出發菌株，通過敲除轉錄調節因子MetJ、強化途徑酶MetA 表達使得L-甲硫氨酸的發酵產量高達9.75 g/L。Yang等［36］首次在大腸桿菌BL21（DE3）實現了以葡萄糖為底物從頭合成N-乙酰神經氨酸（NeuAc），并設計構建了響應NeuAc 的生物傳感器進行代謝調控，NeuAc 的發酵產量提高至8.31 g/L。大腸桿菌不僅在代謝合成內源性化合物領域具有強大的工業潛力，其在重構異源合成途徑以代謝生產非內源性產物領域也具有極大的應用前景。例如，類胡蘿卜素［37］、檸檬烯［38］、丹參素［39］等萜類化學物均在大腸桿菌中成功實現了代謝合成。

2.2 芽孢桿菌屬

枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和解淀粉芽孢桿菌等宿主以其出色的蛋白質分泌系統、惡劣環境耐受性強而被廣泛應用［29，40］。相比于大腸桿菌極易形成不溶性包涵體、潛在的脂多糖和內毒素風險［41］，芽孢桿菌屬宿主具有食品安全等優勢。

枯草芽孢桿菌是堿性絲氨酸蛋白酶與中溫淀粉酶制備生產的首選生物制造系統，其也被廣泛用于核苷酸、維生素、表面活性劑、維生素B2復合物核黃素［42］、透明質酸［43］以及抗生素（例如桿菌肽和枯草桿菌素）的發酵生產。此外，由于枯草芽孢桿菌具有典型的芽孢形成能力、細胞分裂以及生物膜系統，其亦成為微生物機理研究的典型模式微生物之一［44］。

地衣芽孢桿菌是高溫淀粉酶制備生產的最佳生物制造系統，其在高溫培養環境中擁有極佳的液化和糊化特性。早在1973 年，地衣芽孢桿菌就已被發現其能表達天然高溫淀粉酶［45］，之后Declerck 等［46］對其耐高溫特性進行了關鍵氨基酸解析，拓寬其工業應用范圍［47］。此外，地衣芽孢桿菌還被用于銀納米顆粒［48-49］、生物絮凝劑［50］、聚γ-谷 氨 酸［51］、 2，3-丁 二 醇 的 生 物 合 成［52-53］。2004 年 ， Veith 等［54］對 具 有 工 業 應 用 潛 能 的Bacillus licheniformisDSM13 菌株進行基因組規模測序，清晰的遺傳背景為其后續CRISPR 基因編輯調控工具開發［55-56］等領域的研究奠定了基礎。

解淀粉芽孢桿菌常用于中性或堿性蛋白酶的工業化生產［57］。Sha等［58］以解淀粉芽孢桿菌NS為出發宿主，通過采用模塊化工程策略，抑制副產物的代謝合成，阻斷目標產物降解途徑，推動了低分子量聚γ-谷氨酸生物合成進展。此外，解淀粉芽孢桿菌也可用于表面活性素［59-60］、果聚糖［61］、S-腺苷甲硫氨酸［62］以及銀納米顆粒［63］的生物合成。

2.3 谷氨酸棒桿菌

谷氨酸棒桿菌是一種革蘭氏陽性、非致病性的土壤細菌，其具有耗糖迅速、易高密度發酵［64］、無碳源分解代謝阻遏效應［65］、對有毒醇和芳香族化合物有較高耐受性［66-67］等代謝特性。

作為較為成熟的生物制造系統，谷氨酸棒桿菌的表達系統、基因編輯工具、代謝調控策略已有較為全面的研究［68］。谷氨棒酸桿菌內可以實現pVWEx1、 pEKEx3 和 pECXT99A 三個 質 粒共存 ，可用于多途徑模塊化工程，以及多種調控元件的表達優化［69-70］，基于sacB 標記的條件致死的基因編輯方法［71］、基于Cre/loxP 系統的基因編輯策略［72］以及基于 CRISPR 的基因編輯工具［73］均能夠用于構建更加高效的谷氨棒酸桿菌制造系統。谷氨酸棒桿菌是L-谷氨酸和L-賴氨酸等氨基酸的優勢底盤細胞，近期研究表明其也擁有成為透明質酸優勢底盤細胞的潛力，通過途徑關鍵酶優化表達水平，以及解除產物對細胞的包裹效應，透明質酸達到74.1 g/L［9］。此外，基于谷氨酸棒桿菌可以吸收和利用各種芳香族化合物，因此通過合成生物技術對其進行改造后有望成為高效的芳香族化合物制造系統［70，74］。

2.4 釀酒酵母和巴斯德畢赤酵母

2.4.1 釀酒酵母

作為典型真核模式菌株，釀酒酵母具有較好的pH 與滲透壓耐受性，使其成為生產生物能源、蛋白、類異戊二烯、脂肪酸和脂肪醇、芳香族化合物等生物制品的重要宿主。相比于大腸桿菌等原核生物，釀酒酵母具有內質網、線粒體等細胞器，在異源表達蛋白酶尤其是細胞色素P450 酶時具有原核生物無法比擬的優勢。其次，釀酒酵母的遺傳背景和胞內代謝調控機制具有高度的可知性、完整性與系統性。例如釀酒酵母染色體復制機制解析［75］，釀酒酵母氮源代謝、磷酸代謝等機制解析［76］，釀酒酵母氧化應激凋亡機制研究［77］，釀酒酵母蛋白質復合物和互作研究［78-80］，釀酒酵母孢子形成過程解析［81］，釀酒酵母細胞壁動態感知和調控過程解析［82］，終止子文庫［83］、轉錄調控網絡數據庫［84］、釀酒酵母數據庫［85］等，這些研究報道極大提升了釀酒酵母的工業化應用前景。

釀酒酵母常用的啟動子主要為組成型強啟動子主要為TEF1 和GPD，以及半乳糖誘導型的GAL1 啟動子。質粒分為附加型質粒（Yep），是基于內源性2 μ 復制起點的高拷貝質粒，以及著絲粒質粒（YCp），是基于自主復制序列（ARS）和酵母著絲粒序列（CEN）的組合的低拷貝質粒。釀酒酵母具有強大的DNA 組裝能力，50 bp堿基重疊即可組裝3～5 個基因的10 kb 片段，125 bp 堿基重疊即可組裝8個基因約19 kb的片段［86-87］。

釀酒酵母作為理想的生物制造系統之一，其被廣泛應用于生物能源、食品、醫藥化工等領域。

（1）生物能源 為了緩解糧食危機，開發以非食品原為底物的第二代生物乙醇制備技術是實現資源可持續化的有效途徑之一［88］。來源于玉米秸稈、木片和農業殘留物的木質纖維素水解產物含有60%～70%的葡萄糖以及30%～40%的木糖，天然微生物在存在葡萄糖的條件下會限制木糖的利用效率，因此高效代謝木糖是將木質纖維素生物質轉化為生物能源最重要的前提條件。釀酒酵母沒有內源性的木糖代謝途徑，基于合成生物技術引入木糖還原酶（XR）、木糖醇脫氫酶（XDH）、木糖異構酶（XI）重構木糖代謝途徑，使得釀酒酵母可以將木糖轉變為木酮糖，之后木酮糖在內源性木酮糖激酶（XK）的催化下生成5-磷酸木酮糖從而進入磷酸戊糖途徑。釀酒酵母偏好葡萄糖作為碳源，并且擁有復雜的葡萄糖感知和調控機制［89］，為了實現木糖和葡萄糖的同時高效利用，適配木糖代謝途徑關鍵酶表達水平、維持胞內環境穩態尤為重要。Hou 等［90］通過引入異源不受葡萄糖抑制的木糖轉運蛋白（Meyerozyma guilliermondii來源的轉運蛋白Mgt05196p 的突變體N360F），在葡萄糖存在的條件下釀酒酵母的木糖攝取速率依然顯著提高。

（2）乙酰輔酶A 乙酰輔酶A 是重要的生物制品，可以衍生合成多種化學品。釀酒酵母內的乙酰輔酶A代謝機制較為復雜，兩個乙酰輔酶A合成酶（ACS1 和ACS2）的活性被嚴格調控，ACS1 被葡萄糖抑制，ACS2 在葡萄糖為碳源時表達，基于此，Kozak 等［91］在釀酒酵母內重構來源于沙門氏菌的突變體ACS 和醛脫氫酶（ALD6），顯著提高乙酰輔酶A的代謝池。

（3）萜類化合物 萜類化合物是由多個單元的焦磷酸異戊烯基焦磷酸酯（IPP）及其異構體焦磷酸二甲基烯丙酯（DMAPP）組成的有機化合物。相比于大腸桿菌，釀酒酵母更適合表達涉及細胞色素P450 酶的萜類代謝途徑途徑。MVA 途徑是釀酒酵母中唯一的IPP 合成途徑，并且具有很高的合成效率，且IPP 理論上可占細胞干重的5%。香葉醇［92］、檸檬烯［93］、人參皂苷［94］、青蒿酸［95］等萜類化合物均已在釀酒酵母中實現了高效合成，其中青蒿酸作為合成生物學里程碑式的產物，其在釀酒酵母內的發酵產量高達25 g/L。2019 年Keasling 等［96］以釀酒酵母作為底盤細胞，首次成功實現了大麻素及其相關衍生物的異源代謝合成。

（4）芳香族化合物 芳香族化合物衍生自酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸三種芳香族氨基酸［97］。芳香族氨基酸主要通過由糖酵解途徑的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和磷酸戊糖途徑的赤蘚糖-4-磷酸（E4P）為前體合成分支酸（chorismate）的莽草酸途徑（shikimate pathway），分支酸進一步生成鄰氨基苯甲酸（anthranilate）和苯甲酸酯（prephenate），而鄰氨基苯甲酸生成色氨酸，苯甲酸酯生成苯丙氨酸和酪氨酸。色氨酸可進一步衍生形成喹啉生物堿（喜樹堿）和吲哚生物堿（長春堿），而苯丙氨酸和酪氨酸進一步衍生形成類黃酮（柚皮素）、芪類（白藜蘆醇）和芐基異喹啉生物堿（嗎啡）［98］。Luttik等［99］通過引入對酪氨酸抑制不敏感的ARO4酶，將釀酒酵母胞內苯丙氨酸和酪氨酸濃度提高3倍。

（5）蛋白質合成 據估計，在營養培養基上生長至對數期的釀酒酵母，每個細胞平均擁有200 000 個 核 糖 體 和 15 000～60 000 條 mRNA（30%為核糖體蛋白），受限于可用核糖體數量，每秒合成約13 000 個蛋白質分子。翻譯延伸因子是胞內最豐富的蛋白質之一，含量可達105～106［100］。因此，釀酒酵母是疫苗、醫用蛋白生物合成的重要宿主，目前釀酒酵母作為生物制造系統已成功應用于乙型肝炎表面抗原、胰島素、胰高血糖素、尿酸氧化酶、巨噬細胞集落刺激因子和血小板衍生生長因子等物質的生物合成，但是，釀酒酵母蛋白質糖基化過高、較低的蛋白表達能力成為其擴大工業應用范圍的主要限制因素［101］。

2.4.2 巴斯德畢赤酵母

極佳的蛋白分泌能力、優異的翻譯后修飾（糖基化與二硫鍵）以及胞外內源性蛋白極少使得畢赤酵母成為異源蛋白表達的理想生物制造系統之一。2009 年 de Schutter 等［102］首次對畢赤酵母進行全基因組的解析。畢赤酵母擁有極強的甲醇誘導型啟動子AOX1，啟動子AOX1 啟動子被甲醇強誘導，被葡萄糖、甘油和乙醇抑制。山梨醇不會抑制或誘導AOX1 啟動子，因此與甲醇混合補料，可以提高細胞密度和生產速率。畢赤酵母在表達木聚糖酶、甘露聚糖酶和漆酶等半纖維素酶方面擁有顯著優勢，特別是表達含糖基化的酶時，目的蛋白酶會具有更好的熱穩定性，從而減少工業處理步驟中的冷卻過程，節約能源和時間。此外，畢赤酵母作為生物制造系統也被廣泛應用于人促紅細胞生成素、磷脂酶C、人超氧化物歧化酶、胰蛋白酶、人血清白蛋白、膠原蛋白和人單克隆抗體等醫用蛋白的生物合成［103］。

典型模式宿主系統及適用范圍總結于表1。

表1 典型模式宿主系統及適用范圍總結Tab.1 Summary of various typical model organism system and their scope of application

3 展 望

基于合成生物技術對現有天然存在的生物制造系統進行目的性的改造，使其滿足工業化生產需求的高版本底盤細胞是解決資源可持續化發展的重要途徑之一［104-105］。本文簡述了合成生物技術的研究發展，并著重總結了當前典型模式菌株的代謝特性及其應用范圍，然而目前構建高效的生物制造系統仍然在以下方面值得進一步探索：

（1）制定合成生物技術工具元件標準的必要性 目前，合成生物技術發展處于快速發展的初級階段，合成生物技術新工具和新策略開發速度較快，然而大部分合成生物學元件處于缺乏行業標準約束的自由定義的狀態，導致業內共享難度較大，不利于合成生物學的長久發展。因此，應為在特定條件下的特定目的制定標準化工具元件，以其作為基準來標注新工具和新策略的有效性，便于科研創新的原創性和健康發展。

（2）制定合成生物技術數據標準的必要性隨著基因編輯和高通量自動化實驗平臺的發展，合成生物技術領域的數據量呈現爆發式的增長，如何統計、分析和使用數據成為新時代合成生物所面臨的重要問題。盡管目前發表刊物已經加強對原始數據的要求，但是如何強化數據的有效性仍然具有挑戰。例如，僅改動一個基因、一個微量元素、一個培養溫度，都可能會對目的數據產生巨大的影響。因此，制定數據標準有助于從紛繁眾多的數據中擇取有效數據具有重要作用。

（3）開發標準自動化工作平臺的必要性 合成生物學是一門背景復雜、學科交叉的前沿生命科學學科，為了探究表象特征背后復雜的調控機制，往往需要大量的有效實驗數據，一般情況下，越大量的有效數據意味著越接近真相本質。為此，開發標準自動化工作平臺，不僅可以顯著提高數據量，而且可以避免人為因素引入的非必要誤差。

（4）開發更加精細化、多元化、全局化、普適化的合成生物技術 目前的合成生物技術設計和應用方面仍存在調控范圍局限、普適性差、手段單一等缺點，而對于非典型模式宿主而言，基因編輯工具不足、代謝調控策略的滯后性都將導致生物制造系統構建效率低下，嚴重限制了如極端微生物等非典型模式宿主的應用。因此，開發更加精細化、多元化、全局化、普適化的合成生物技術具有重要意義。

（5）簡便、系統的構建高效的生物制造系統典型的模式宿主其代謝機理研究雖較為成熟，但卻呈現出模塊化、孤立化的特點。當對某一基因節點進行代謝改造時，往往會帶來非預期范圍內的結果。機器學習與合成生物技術的交叉發展有望讓構建高效的生物制造系統變得全面、系統、簡便。建立全細胞數學模型，將細胞全局數字化。基于全細胞數學模型構建高效的生物制造系統時，可以進行“自上而下”的預測-輸入代謝改造策略后輸出全局預期結果，或進行“自下而上”模擬-輸入預期改造結果輸出所需的代謝改造策略。