合成生物學在多個領域都有廣泛的應用前景，主要應用領域包括健康與醫藥、農業與食品、生物能源、環境保護等。隨著技術的不斷進步和應用范圍的擴大，合成生物學有望在未來為人類社會帶來更多創新和突破。

表1.合成生物學主要應用場景

數據來源：專家訪談；B Capital分析；BCG分析

合成生物學的生產流程

隨著分子生物學的不斷進步，基于生物學知識的理性設計策略已廣泛應用于細胞生產領域。特別是“DBTL”（設計-構建-測試-學習）循環方法，通過基因合成、基因編輯和細胞培養等技術手段，像搭積木一樣去構建代謝通路，成功構建所需細胞，用于生產目標產品。

構建的生產細胞經過發酵生產和分離純化即可得到理想的合成生物學產品。

圖1. 合成生物學生產流程圖（資料來源：華安證券研究所整理）

基因編輯在合成生物學中的應用

微生物代謝產物豐富多樣，包括眾多天然產品。以絲狀真菌為例，它們能合成抗生素、色素、酶及激素等多種物質，廣泛應用于醫藥、化工、農業和基礎生物學研究。目前，絲狀真菌生產的酶占工業酶市場約50%。然而，絲狀真菌遺傳背景復雜，某些次級代謝產物僅在特定環境下產生，實驗室標準條件下難以合成。CRISPR系統作為簡便基因編輯工具，已用于多種絲狀真菌基因編輯，如敲除天然代謝途徑基因或在宿主細胞中表達異源基因，以優化天然產物合成、增強目標產物表達、減少或消除毒性產物，推動絲狀真菌開發與應用。

圖2. CRISPR技術在絲狀真菌次級代謝產物合成中的應用[4]

黑麥麥角菌（Claviceps purpurea）所產麥角生物堿，能治療偏頭痛、高血壓，并在產婦分娩后助子宮收縮，減少出血。研究者們巧妙將CRISPR/Cas9 RNP復合物和供體DNA（donor DNA），一同導入黑麥麥角菌的原生質體內部，針對與尿苷生物合成、菌絲形態學以及麥角生物堿產量等緊密相關的三個靶基因進行精準敲除。實驗結果顯示，這一基于體外預組裝的CRISPR RNP策略，能夠高效且精確地剔除麥角生物堿合成路徑中的關鍵基因，有助于闡明麥角生物堿的生物合成途徑，促進對麥角菌的代謝工程改造，提高麥角生物堿合成效率。

圖3. 黑麥麥角菌CRISPR基因編輯流程[5]

合成生物學在微生物領域的應用前景極為廣闊，尤其在滿足環境改善需求和推動工業化生產方面展現出巨大潛力。然而，當選用微生物作為生產平臺時，往往面臨需大量消耗糖類資源（如葡萄糖）的挑戰。此外，微生物在異源表達源自植物的代謝途徑及調控酶（如細胞色素P450酶系）方面存在效率低下的問題。相比之下，植物能夠直接利用大氣中的二氧化碳作為碳源，合成所需化合物。鑒于植物與宿主之間擁有相似的細胞器、輔酶及輔助因子，這為直接將特定代謝路徑轉移至宿主植物并應用于生產提供了便利，且無需繁瑣的優化過程。

隨著植物合成生物學的快速發展，我們現能夠通過精心設計與改造植物，以滿足不斷增長的各種需求。例如，可以開發多樣化的生物傳感器以實時監測細胞活動，通過精準改造提升作物產量與營養品質，或是生產植物天然產物及蛋白質。這些創新的工程應用不僅彰顯了植物合成生物學的成熟度，更為其未來的蓬勃發展奠定了堅實基礎。

圖4. 植物合成生物學技術路線和應用[7]

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