理特咨詢-合成生物學的勇敢新世界（英譯中）

報告報告勇敢的新世界合成生物學重大影響、重大挑戰(zhàn)“我不能創(chuàng)造的東西，我不明白。——理查德·費曼，理論物理學家藍移報告合成生物學的勇敢新世界重大影響、重大挑戰(zhàn)AuthorsAlbertMeige博士，藍移主任，ArthurD.LittleRickEagar，名譽合伙人，ArthurD.Little博士UlricaSehlstedt，執(zhí)行合伙人，ArthurD.Little博士FranziskaThomas，合伙人，ArthurD.LittleSimonNorman,經理,ArthurDLittleMinJiKim,經理,ArthurDLittleClaudiaNichterlein，經理，ArthurD.LittleNickBloser，業(yè)務分析師，ArthurD.Little藝術家在駐地哲學家-residenceDarianMeacham，馬斯特里赫特大學3-CONTENT-1.什么是合成生物學2.科學與技術景觀24插曲#1:進化美學-交叉藝術與科學的語言細胞36圍繞SynBio66的道德問題工具和技術玩家80附錄2：示例SynBio應用程序玩家865藍移藍移/報告005執(zhí)行摘要雖然20世紀在許多方面都是化學工業(yè)化的世紀，但21世紀有望在生物學領域進行類似的革命。革命的基礎始于20世紀50年代DNA的發(fā)現，并擴展到有助于理解、分析和操縱我們的遺傳密碼以及蛋白質，最終是人類生物學基礎并延伸到我們周圍宇宙的細胞和器官的核心技術。這些發(fā)現導致了許多突破性的發(fā)現，以及理解、檢測和治療疾病的潛力。我們也越來越多地看到在生命科學之外的廣泛領域中使用的生物系統。近年來，討論越來越多地集中在合成生物學或SynBio上，該術語是在1980年代創(chuàng)造的，當時科學家BarbaraHobom用它來描述使用重組DNA技術進行基因工程改造的細菌。此后，該術語發(fā)生了顯著變化，被更廣泛地使用，有時甚至引起爭議。雖然SynBio已經增加了我們對生物系統的理解，并導致了新的工具用于它們的操作和診斷的可用性，但計算能力和人工智能（AI）等工具的開發(fā)的最新進展和機器學習（ML）正在導致進一步的快速加速6藍移藍移/報告005SynBio在其潛在應用的廣度上是獨一無這些影響有可能在許多行業(yè)領域產生顛覆性影響——不僅僅是醫(yī)療保健和生命科學、食品和農業(yè)，還有工業(yè)、化工、制造業(yè)、消費品、能源和IT。隨著跨多個學科和生態(tài)系統的影響越來越大，人們越來越需要圍繞SyBio對社會的影響進行交流和批判性論述。雖然SyBio提供了生產牛奶或肉類等不含動物及其相關環(huán)境影響的食品的潛力，但我們需要更好的監(jiān)管來控制質量和安全，并需要了解該領域的全球和經濟影響。最近的例子，例如HeLa細胞案以及圍繞黃金大米或我們所謂的“牛奶”的辯論，表明我們需要更好地解決一些基本問題：誰擁有基因或細胞？作為一個社會，我們愿意接受什么樣的變化水平和速度？這些新技術的風險是什么？盡管基因和細胞療法為治愈嚴重的衰弱疾病提供了機會，例如肌營養(yǎng)不良或血友病，.例如，創(chuàng)新已經能夠合成人類胚胎。這些對我們未來的發(fā)展有什么影響？基于廣泛的ArthrD.在SyBio技術和應用的28位全球專家的調查和訪談支持下,本報告旨在全面概述SyBio的現狀和前景。包括它的組成、技術發(fā)展的現狀、現有的發(fā)展市場和關鍵參與者的格局、當前和未來的應用，以及企業(yè)應該如何為未來做好準備?？偟膩碚f，我們得出的結論是：。-SynBio是一個非常多樣化的領域。SynBio在其潛在應用的廣度-從醫(yī)療保健到食品、制造、工業(yè)加工，甚至數字產業(yè)。其技術的成熟度范圍從胚胎到完全商業(yè)化。在考慮其前景，重要的是采取足夠精細的方法。-SynBio技術可能會在20年的時間框架內產生巨大的轉型影響。預測性等技術基因工程，復雜生物的DNA合成，基于DNA的存儲和AI驅動的應用可以改變我們的行業(yè)，我們對生命系統的工程能力，以及我們如何應對氣候變化。藍移藍移/報告005-許多SynBio應用程序都準備增長。SynBio的預測增長率為到2030年復合年增長率>20%總的來說,尤其是在醫(yī)療保健和生命科學以及食品和農業(yè)方面。無論是在技術推動(增加投資、降低技術成本、不斷增長的生態(tài)系統)還是市場拉動(尤其是可持續(xù)性、醫(yī)療保健需求和制造效率)方面，增長動力都很強勁。預計當前市場將從周圍增長2023年為150億美元，到2030年為700億美元。也許更重要的是，如果目前開發(fā)的SynBio技術成功成熟，SynBio可能會產生巨大的影響，破壞包括15%-20%未來幾十年全球幾個領域的產出，包括：在許多SynBio應用程序中，開發(fā)已經進-醫(yī)療保健和生命科學。廣泛的應用領域可以實現個性化和潛在的治愈性治療以及在診斷和藥物設計和開發(fā)方面的改進。在未來，我們期望更復雜的治療方法，更好地保護免受更多疾病的侵害，以及在退行性疾病和遺傳疾病方面的新應用。-糧食和農業(yè)。應用廣泛，從作物馴化到合成食品和生物修復，預計未來幾年將在所有這些領域取得進一步發(fā)展。-工業(yè)和消費品。應用包括新型/特種產品，原材料替代，可持續(xù)性,和過程性能改進。-能源。應用包括生物燃料，生物電，生物電池，修復和工藝改進傳統燃料。-IT和技術部門?；贒NA的數據存儲是最有前途的研究領域,但仍然只是在證明-概念（PoC）階段。-挑戰(zhàn)和障礙仍然很高，有幾個關鍵的不確定性。在許多SynBio應用程序中，開發(fā)幾十年來一直在持續(xù)，通常更多的是由技術推動而不是市場拉動驅動。關鍵的不確定性包括技能/能力差距，實現工具集的標準化和知識庫的系統化，不利的公眾看法，道德/生物安全問題，資金和投資的可得性，難以擴大生產水平以及與傳統技術相比的經濟性差，這可能會阻礙市場增長。8藍移藍移/報告005-公司應確保適當的SynBio戰(zhàn)略到位。鑒于強大的驅動力，加速技術發(fā)展，以及潛在的巨大影響，公司應該為突破帶來的指數增長做好準備。鑒于其多樣性，公司需要仔細考慮哪些領域與其業(yè)務相關，并進行現實的基于市場的評估。關鍵步驟包括：公司應該做好準備突破可能導致的指數增1.確定潛在的機會。指出當前或設想的未來SynBio技術可能中斷或創(chuàng)造新機會的業(yè)務領域。考慮SynBio如何增強當前性能，啟用新產品或流程，增強可持續(xù)性和/或提高效率或定制。2.評估吸引力并制定策略。采取市場主導的方法來評估潛在的業(yè)務案例,并制定基于情景的戰(zhàn)略，同時考慮到需要克服的障礙和仍然存在的關鍵不確定性。3.發(fā)展能力。了解在哪里以及如何在生態(tài)系統中匯集所需的功能?？紤]到SynBio的多學科性質和專業(yè)技能的短缺，這一點尤其重要。4.保持生態(tài)系統的存在。至關重要的是，參與監(jiān)管和道德話語,并在應用程序成為指數時迅速做出反應。藍移藍移/報告005序言我是技術的粉絲。但與此同時，我非常擔心它的負外部性。對我們的孩子,社會，機構或企業(yè)的負外部性。藍移藍移/報告005這種擔心并不新鮮。事實上，我特別記得在青少年時期讀高中時的AldousHuxley的《勇敢的新世界》。在這部小說中，Huxley呈現了一個看似美妙的世界，極權主義和技術的混合導致了一種極其穩(wěn)定的全球社會，沒有戰(zhàn)爭或沖突。從表面上看，這是所有可能世界中最好的。但是，個人自由和自由意志幾乎完全消失了。那是我對技術矛盾的介紹。在與藍移團隊一起準備這份關于合成生物學的報告時，赫x利的《勇敢的新世界》像轉基因的“瑪德琳·德·普魯斯特”一樣回到了我的身邊，我不禁想到了所有的反烏托邦情景。為什么？因為SyBio包含了許多潛在的威脅和負面影響，這些威脅和負面影響可能源于其濫用或意外后果：致命的病原體,基因驅動（可用于在整個人群中傳播特定的基因套件）技術，環(huán)境和健康風險，或DIY生物學運動（對SyBio實驗感興趣的公民科學家運動，這引起了人們對濫用易于獲得和低成本技術的擔憂。像CRISPR[定義為集群規(guī)則間隔短回文重復]由個人與該領域的先驗知識很少）。但與此同時，我感到非常驚訝的是，大多數工業(yè)部門都可以利用SynBio-而不僅僅是生命科學。在本報告中，我們主要關注SynBio將給商業(yè)，社會和人類帶來的積極影響。在深入研究之前，我想與您分享另一個非常有趣的字謎：“合成生物學”轉變?yōu)椤氨簧竭_基擊中”像往常一樣，字謎以神秘的方式移動。—AlbertMeige博士1CHAPTER合成生物學&為什么重要？藍移藍移/報告0051什么是合成生物學,為什么它很重要?人類長期以來一直質疑生命的本質，通過宗教，哲學，藝術和科學無休止地探索這個話題。自20世紀中葉和DNA的發(fā)現以來，SynBio領域為一些“大問題”提供了見解藍移/藍移/報告005例如，SynBio已經表明，我們可以合成地在生物體中創(chuàng)造新的和不同的功能，并利用活細胞來執(zhí)行非生物任務。2023年，以色列魏茨曼科學研究所的研究人員聲稱已經生長出一個非常類似于14天人類胚胎的實體，而不使用精子，卵子或子宮。1定義SynBio如今，SynBio的定義各不相同，但大多數都集中在工程生物系統的基本概念上。-“新生物部件、裝置的設計和建造，和系統，以及為有用目的重新設計現有的自然生物系統“(自然)-“涉及通過將生物體設計為具有新能力來為有用目的重新設計生物體的科學領域”(美國國家HumanGenomeResearchInstitute)-“使用現代技術和計算來設計生物學來解決與環(huán)境和人類相關的問題健康”（美國加州大學圣地亞哥分校[UCSD]合成生物學研究所）-“多學科的科學領域，專注于生命系統和有機體，它應用工程原理來開發(fā)新的生物部件、設備和系統或重新設計自然界中的現有系統“(維基百科)生命可以合成嗎？我們應該把生物等同于它們的功能嗎？生命超過其組成部分的總和嗎？注意1）仿生是模擬自然系統的形成，結構，功能或過程的人工系統的研究和設計來源：ArthurD.Little1加拉格爾，詹姆斯?！翱茖W家在沒有精子或卵子的情況下培養(yǎng)人類胚胎的完整模型?！盉BC新聞，2023年9藍移/報告005調查包括來自世界各地的藍移/報告005調查包括來自世界各地的38位學術和行業(yè)領導者的回應。混合：有機和無機材料結合的系統。2023年藍移全球專家調查2作為本報告的一部分，我們探索了SynBio與相關領域的區(qū)別。它發(fā)現專家通常將融合，工程原理和系統思維確定為關鍵特征（見圖2）。雖然意見與這三個方面大致一致，但專家們并不完全同意源材料是否必須是活生物體，或者是否可以合成它們。為了這項研究的目的及其對應用和影響的最終關注，我們得出結論，從以下方面定義該領域更有用它生產什么以及它是如何工作的，而不是它的原材料的性質。因此，我們提出了SynBio的實用定義，體現了以下主要特征：“工程，修改或支持此定義，SynBio涉及三個功能：1.多學科的融合-連接生命和物理科學-在自然發(fā)生和人造世界之間的邊界-生活或混合系統-仿生工程方法也可以是SynBio工具箱的一部分，盡管模仿生物系統是本身不是SynBio的目標用你的話說，什么是合成生物學？它與相關領域有什么區(qū)別？“表征零件和系統增加未來設計的可預測性““合成[即]組成&的方法'putingtogether'對于生命系統““[修改或]創(chuàng)建生命系統完全來自材料那個從來沒有活著或生物體的一部分”“The通過設計創(chuàng)造新的生活系統”“可預測、可控制、精確的工程中的新功能各種生命系統“The建筑從生物系統較小的零件，在a模塊化方式”來源：ArthurD.Little23“The工程生物學的設計、構建、測試和學習新功能”“尊敬的生物化學由工具集”“多學科如何進行調查新的生命形式”“靈感來自大自然[where]所有問題的答案在自然界中已經存在”“源自系統生物學,但現在已經夠了數據建立模型““的目的理解自然or生產有用的生物機器”藍移/藍移/報告0052.應用工程原理-旨在實現特定目標和功能的生命系統的有意工程3.系統思維和模塊化-將生物系統分解為可互換的模塊-了解單個零件在整個系統中的行為和相互作用SynBio應用的頻譜SynBio涵蓋了廣泛的潛在應用（見圖3其特點是它們的新穎性，從更基本的增強現有功能到完全創(chuàng)建全新的生命系統。在下一個細節(jié)級別，將SynBio的功能分為三個廣泛目標的類別是有用的（參見圖4）。如圖4所示，SynBio可用于制造全新的產品（生物和非生物增強現有產品的性能，以及改進相同產品的生產和制造過程。在后一類產品中，提高可持續(xù)性是一個重要的好處，盡管更好的效率和精度也是關鍵。圖3-SynBio應用譜增強生物體的現有功能（例如，增加藻類或植物的光合能力以促進生長和生物量生產）增強具有自然界中存在的另一種功能或組合的生物體（例如，用其他生物體的部分修飾細菌以產生可以分解塑料廢物的酶）在自然界中尚未存在的生物體中創(chuàng)造全新的功能（例如，無法傳播瘧疾或登革熱等疾病的轉基因蚊子）使用有生命或非生命部分創(chuàng)建全新的生命系統，例如由皮膚細胞和心肌細胞組成的異種機器人，兩者都來自早期青蛙胚胎的干細胞資料來源：ArthurD.Little；英國研究與創(chuàng)新（UKRIDavies，JamieA.合成生物學：非常簡短的介紹。牛津大學出版社，2018年；Benner，StevenA.和A.MichaelSismour?！昂铣缮飳W”?！蹲匀辉u論遺傳學》，第6卷，2005年7月藍移藍移/報告005BiologicalBiological01.新產品及材料非生物02.增強現有產品的性能更可持續(xù)03.更可持續(xù)和高效的制造流程更高效/更精確來源：ArthurD.Little，UKRI–合成食品–作為藥物形式或用于藥物的生物活性化合物–強化天然肥料–新的生命形式–生物傳感器–生物電池和燃料電池–合成革和橡膠–生物計算機和神經網絡–作物馴化和加速植物育種–基因和細胞療法在癌癥治療中的應用–基于生物的制造工藝–生物金屬提取–減少廢物和回收利用–生物修復–疫苗開發(fā)–使用新型酶的生物合成–使用“全”微生物的精確發(fā)酵–專門定制的食品和配料是什么推動了SynBio的進步？雖然SynBio的起源可以追溯到20世紀50年代，但在過去的20年里，突破已經大大加快，如圖5中的時間表所示。在過去的十年中，由于技術推動和市場需求，SynBio的進展進一步加速:-技術推動-正在進行的融合生命科學和物理科學的發(fā)展（見圖6包括更強大和準確的基因編輯工具-市場需求-滿足以下方面日益增長的需求的需要:-更大的可持續(xù)性（例如，可再生原材料/能源）-改善醫(yī)療保?。ɡ纾?，更低成本的藥物開發(fā)；改善診斷；更有針對性的治療）-加強糧食安全(例如，在氣候變化和人口增長時提高產量)-創(chuàng)新（例如，更量身定制的產品，計算機的變革性進步以及其他激進的新應用）藍移/藍移/報告0051960年代：合成生物學的先驅Jacob&Monod推測細胞調節(jié)如何能夠從分子組分組裝新系統20世紀80年代：轉基因胰島素利用細菌在重組DNA的幫助下制造胰島素(“Humulin”）2000年：第一個合成生物回路由人類設計—遺傳撥動開關和抑制因子-證明了基因調控網絡可以從數學原理設計2004年：第一屆國際合成生物學會議“合成生物學1.0”(麻省理工學院)2012：商業(yè)生物制造植物細胞蛋白質療法2014年：Illumina推出下一代測序（NGS）技術，大大提高了吞吐量、可擴展性和速度，聲稱超過了摩爾定律2017年：FDA批準CART，已被證明可以治愈某些血癌疾病2020年：DNA數據存儲聯盟成立創(chuàng)建和促進基于DNA作為數據存儲介質的可互操作存儲生態(tài)系統；2002年第50名成員19501950年代雙螺旋結構的發(fā)現1970年代限制酶的發(fā)現和重組DNA技術的發(fā)明1980年代1986年由Genentech（Activase）批準在哺乳動物細胞中生產的第一個生物制劑1990年代啟動首個基因治療試驗2000年代DNA合成和測序的新進展2005創(chuàng)建的噬菌體的第一個合成基因組2012CRISPR/Cas9基因組編輯技術的發(fā)現，使單個基因的編輯成為可能2017美國首個批準的轉基因T細胞療法2019完全通過計算機創(chuàng)建第一個細菌基因組2020創(chuàng)建第一批異種機器人（旨在執(zhí)行特定功能的合成生命形式推出基于mRNA的抗COVID-19疫苗2021深度學習技術在蛋白質折疊預測和抗體發(fā)現中的突破來源：ArthurD.Little物理科學物理學，納米技術，材料科學，表面科學，計算機科學，AI，材料科學，表面科學，數學,數據科學，機器人/物聯網，模擬/數字孿生生命科學生物學，化學，生物化學，細胞生物學，蛋白質科學，代謝工程，高級發(fā)酵，生物技術，基因組編輯，表觀遺傳學，計算生物學，神經科學工程原理分析生物學工程原理諸如“諸如“設計建造，學習“從分析中改變了SynBio追求新型工程學科大數據和AI“大生物”數據的可用性和AI/黑盒建模技術使用的標準化實現了更好的設計,由數據工程原理支持系統生物學更好的理解、系統化和工程更復雜的生物系統增加能力和協作說明：工具集/平臺/應用程序開發(fā)人員、服務提供商過去十年降低成本用于DNA測序，基因合成和編輯私人和公共投資過去十年SynBioSynBio來源：ArthurD.Little藍移藍移/報告005ThiscombinationisdrivingincreasingpublicandprivateinvestmentandpartnershipacrossSynBioecosystems.ExampleswithintheUSinclude:-美國政府SynBio研究經費增加至1.61億美元2022年，過去五年公共資金總額為8.2億美元。-美國私營部門在2022年向SynBio投資了80億美元。-包括美國西北大學和美國麻省理工學院（MIT）在內的機構獲得了涉及跨學科團隊的SynBio研究項目的贈款。-新的政府贊助的合作已經啟動，例如涉及銀杏生物工程、Geno和安西婭.-新的聯盟已經成立，以開發(fā)跨平臺解決方案。例如，微軟，聯想和TwistBioscience正在合作探索跨平臺工作，例如通過DNA數據存儲的潛力。活動的增加推動了全球SynBio市場的預期增長24%的復合年增長率到2030年超過700億美元，從大約2023年150億美元（請參見圖7）。這涵蓋了僅提供服務，工具，專有技術和產品，以使最終用戶能夠在醫(yī)療保健，食品和食品等市場中應用SynBio行業(yè)。它不包括這些最終用戶可能使用SynBio工具實現的任何潛在增量收入,我們在本節(jié)的最后一部分和第2章中概述了這些工具的影響。▼▼在十億美元$70$57$46$37$30$24$19$15.5$12.5202220232024202520262027202820292030來源：ArthurD.Little藍移/報告005藍移/報告005SynBio增長面臨的挑戰(zhàn)盡管SynBio顯示出令人印象深刻的增長潛力，但其發(fā)展仍面臨著大規(guī)模的障礙。這些障礙范圍廣泛，從生物安全/道德問題到技術，經濟和消費者挑戰(zhàn)。生物安全與倫理問題改變生物有機體-或創(chuàng)造全新的有機體-圍繞潛在的意外環(huán)境后果或不良行為者故意濫用SynBio提出了生物安全挑戰(zhàn)。這也導致了關于改變或創(chuàng)造生命形式時被認為可以接受的道德辯論，以及“有生命的”生物體和“無生命的”機器之間的邊界模糊，如圖8所示。全球監(jiān)管對于確保生物安全和圍繞道德問題提供保證至關重要，例如通過與研究人員、公司和國家一起采用和執(zhí)行關鍵原則和行為準則。但是，法規(guī)和準則仍在不斷發(fā)展。已經定義了一些總體原則，例如長期建立和國際公認的生物多樣性公約（CBD）。這包括與SynBio有關的規(guī)定，例如，圍繞確保使用SynBio技術生產的改性活生物體（LMO）的安全處理，轉移和使用。However,theseprincipleshaveyettobeconsistentlyappliedataglobalregulatorylevel.Currently,fragmentednationalandregionalregulatoryframeworkequalstolimitedguidanceoveraconsistentapproachtotheresponsibleuseofSynBio.“玩神”來源：ArthurD.Little藍移/報告005向上擴展成本競爭力技術能力轉型障礙藍移/報告005向上擴展成本競爭力技術能力轉型障礙還圍繞道德問題制定了準則。例如，國際系統生物學學會（ISSB）和合成生物學領導委員會（SBLC）等組織已經制定了行為守則，例如為科學研究制定的行為守則。世界衛(wèi)生組織（WHO）等機構正在形成類似的準則。但是，隨著新興技術的發(fā)展，法規(guī)也在迅速變化。這意味著了解和導航不同的生物安全和道德問題仍然是SynBio參與者的挑戰(zhàn)。技術、經濟和消費者挑戰(zhàn)同時，在加速SyBio在許多領域的使用方面，仍然存在巨大的技術，經濟和消費者接受障礙。這些包括從實驗室擴大到全面生產的過程的困難，與現有替代品的成本競爭力差，缺乏足夠強大的技術，需要大規(guī)模投資，以及潛在的消費者對SyBio衍生產品的推擠，這些產品被視為危險或威脅（參見圖9）。圖9-SynBio增長面臨的技術、經濟和消費者挑戰(zhàn)ExampleExample大規(guī)模生產和制造細胞療法用生物基原料代替化石燃料制造化學產品轉基因食品藥物發(fā)現的電子技術進步塑料聚合物和衍生物的生物路線來源：ArthurD.Little藍移/報告005$1,849$569美國GDP總量$25.4萬億化學品、塑料，藍移/報告005$1,849$569美國GDP總量$25.4萬億化學品、塑料，包括藥品468美元制造，術$440公用事業(yè)$440石油、天然氣、采礦包括醫(yī)療技$374數據處理$72$327244農產品$93紡織品、服裝、造紙廢棄物管理來源：ArthurD.Little，美國經濟分析局SynBio的變革潛力盡管SynBio目前面臨著重大挑戰(zhàn)，但它對最終用戶行業(yè)的潛在影響是巨大的。SynBio應用程序有能力從根本上改變全球一些最大的行業(yè)部門，幫助解決威脅人類未來的關鍵挑戰(zhàn)，例如可持續(xù)發(fā)展、健康、和食物供應。這些行業(yè)，包括農業(yè)，醫(yī)療保健，制造業(yè)和數據處理，約占當前全球產出的15％-20證明了SynBio的潛在意義，如果它能夠克服挑戰(zhàn)和不確定性以美國為例，這些被破壞的部門約占當前GDP的20涵蓋約5萬億美元，如圖10所示。鑒于這種深遠而多樣的潛力，相關行業(yè)的參與者不能忽視SynBio開發(fā)的持續(xù)進展-特別是考慮到技術和市場方面的驅動力越來越強。在十億美元可能受可能受SynBio影響的行業(yè)2CHAPTER科學&技術景觀藍移藍移/報告0052科學與技術景觀盡管邊界可能會模糊，但SynBio的開發(fā)環(huán)境可以大致分為三組（參見圖111.產品開發(fā)人員-創(chuàng)建利用SynBio專有技術和工具集的客戶產品和應用程序2.工具和技術開發(fā)人員-開發(fā)工具和技術，使SynBio產品和應用程序，包括技術，硬件，軟件和系統3.基礎學術研究-創(chuàng)建對SynBio基礎科學的基本和應用理解藍移/報告005醫(yī)療保健與生命科學hemicals&藍移/報告005醫(yī)療保健與生命科學hemicals&材料產品開發(fā)人員消費品能源IT&技術工業(yè),Nufacturin啟用設計構建分析食品與農業(yè)c創(chuàng)建利用SynBio專有技術和工具集的客戶產品和應用程序重疊-一些工具集玩家參與產品,反之亦然開發(fā)SynBio工具集（支持產品和應用程序的工具和技術，包括技術，硬件,軟件，系統）創(chuàng)建對SynBio基礎科學的基本和應用理解基本研究社會/倫理應用R&Dh與所有模型一樣，區(qū)別并不總是很明顯。例如，一些工具和技術參與者,例如Asimov和Arzeda，也廣泛參與產品開發(fā)，通常與基于產品的業(yè)務合作。報告的這一部分重點介紹了堆棧的學術研究和工具/技術開發(fā)部分。我們將在第3章中更深入地介紹產品開發(fā)人員和應用程序。基礎學術研究主要學術參與者及其主要研究領域的精選實例包括以下內容(僅說明性,非詳盡)。美國玩家MIT生物工程系專注于廣泛的醫(yī)學和生命科學應用相關研究，麻省理工學院的中心包括：-多細胞工程生命系統中心—一個多學科小組，研究具有多個相互作用的生命組件的目的驅動的生命系統-生物醫(yī)學創(chuàng)新中心-開發(fā)新的生物醫(yī)學技術方法，如結構和生物膜蛋白質在傳感器中的應用功能-神經生物學工程中心-專注于神經系統實驗研究的新工具和工程神經元、神經組織及其與細胞、裝置和假體的相互作用藍移藍移/報告005SynBio的學術研究廣泛，涵蓋廣泛的領域 。西北大學：合成生物學中心該中心的研究圍繞四個主題：1.無細胞系統-具有無細胞生物學激活基本細胞過程（例如，翻譯)的生化工程，而沒有活的完整細胞2.哺乳動物系統-開發(fā)基于自定義編程的新型細胞功能的新型平臺和治療策略3.啟用技術-高通量實驗工具，可以優(yōu)化和理解多組分生物合成轉化，包括工程平臺上的工作，蛋白質的平行表達和計算分析，以識別數據中的設計規(guī)則4.倫理和社會影響-低收入和中等收入國家的技術差距，探索SynBio開發(fā)產生的新生物倫理問題，并為科學家開發(fā)倫理培訓斯坦福大學：合成生物學和生物工程這兩個計劃探索廣泛的SynBio研究，包括蛋白質工程，微生物組研究，系統生物學，生物信息學，代謝工程，神經工程，生物力學，醫(yī)療設備，醫(yī)學成像，分子工程，顯微鏡，生物材料，組織工程，組學/基因組學，基因治療，微流體，農業(yè)生物學和植物健康，節(jié)儉科學和生物政策。歐洲球員瑞士：蘇黎世聯邦理工學院SynBio小組專注于在哺乳動物環(huán)境中開發(fā)和應用生物計算和合成生物學的工具和方法，基于三個支柱：1.用于精確操作和重新編程哺乳動物細胞的基礎技術2.將這些工具應用于生物技術和轉化研究中未滿足的需求3.由生物計算驅動的基因和細胞療法的發(fā)展藍移藍移/報告005研究重點是加快設計-構建-測試-學習周英國：帝國理工學院合成生物學中心研究重點是加快設計-構建-測試-學習周期以及多學科/跨學科研究的新方法，包括：-計算建模和ML方法-自動化平臺開發(fā)與基因電路工程-多細胞和多生物體相互作用（包括基因驅動和基因組工程，代謝工程無細胞SynBio，工程噬菌體和定向進化）-仿生學、生物材料和生物工程該學院還主辦了英國的創(chuàng)新和知識中心SynbiCITE，旨在加速和促進SynBio研究和工程生物學應用的商業(yè)開發(fā)。這包括倫敦生物鑄造廠，旨在設計，工程和功能表征合成DNA。德國：馬克斯·普朗克合成生物學研究網絡Thenetworkcomprises20researchgroupsfromnineMaxPlanckInstitutes.Researchclusterincludeenablingtechnologies,life-mimickingprocesses,andsystemsperspectives.Topicscoveredinclude:-自下而上的SynBio遺傳系統工程-自下而上SynBio微流控工具的設計與實現-動態(tài)原細胞系統-通過無細胞表達產生重組蛋白亞洲球員中國:深圳合成生物學研究所該研究所成立于2019年，是中國第一家SynBio研究所，聲稱擁有世界上最大的SynBio專業(yè)多學科團隊。新加坡：臨床和技術創(chuàng)新合成生物學（SynCTI）SynCTI成立于2014年，是新加坡國立大學（NUS）SynBio的重點研究計劃，作為跨學科研究核心，與NUS內的其他研究計劃互動，并利用現有的研究能力在SynBio中，該項目是通過當地和國際組織的資助開發(fā)的。韓國：韓國高級科學技術研究院生物科學系該部門宣布專注于基因組學和納米技術，重點研究人類疾病及其分子機制，功能基因組學及其應用以及納米生物技術及其應用。藍移藍移報告/使用無細胞系統進行生物制造有可能成為一些關鍵的研究主題縱觀整個科學領域，目前的幾個SynBio研究主題預計將在5~20年，可能對商業(yè)和社會產生重大影響。例子包括：-大規(guī)模采用無細胞生物制造(高impact,lowuncertainty,maturewithin5-10years).Theuseofcell-freesystemsforbiomanufacturinghasthepotentialtobecomethenewstandardinSynBio.Furtherevolutionrequires克服實驗室規(guī)模以外的產品創(chuàng)造的挑戰(zhàn)?？赡艿膽冒ㄉ锶剂希瘖y品和藥品中綠色化學品和新型產品的工業(yè)生產。-AI、SynBio和自動化的融合（高影響力，低不確定性，在5-10年內成熟）。在SynBio中，AI提供在數據挖掘，生物信息學和計算生物學方面的潛力，例如基因表達數據中的模式和結構識別，生物系統工程，代謝工程，實驗自動化，自動駕駛實驗室，結果預測和逆向工程。它提供了在工作流程速度，準確性和有效性方面逐步變化的潛力。-真核生物基因組規(guī)模的DNA合成（高影響、低不確定性、5-10年內成熟）。具有合成和產生大規(guī)模復雜DNA序列的能力的新技術正在開發(fā)中,包括分子組裝和克隆方法、不依賴模板的酶促合成、微陣列和滾環(huán)擴增技術。能夠大規(guī)模和低成本地產生大的DNA序列將對諸如可持續(xù)材料、數據存儲、藥物遞送和基因組工程等領域產生重大影響,以產生具有有用特性的生物體,例如耐熱植物。-真菌SynBio（高影響力，-真菌SynBio（高影響力，中等不確定性，在520物技術應用于真菌學和真菌遺傳學，隨著長讀取測序的進步，使得產生高質量的真菌基因組組裝成為可能。真菌在廣泛的應用中具有潛力，例如在環(huán)境修復，真菌衍生的食品，酶和其他化學生產，可持續(xù)生物材料，真菌電池等等。-復雜動物和人體組織和器官的3D生物打印(高影響，低不確定性,10-20年內成熟year).3D-printingtechnologiescanbedeplosedtoassembymultiplecelltypes,growthfactors,andbiomaterials.Whiletissuerebuildingisalreadyfeasible,rebuilding復雜器官仍然存在許多挑戰(zhàn)。例如，必須復制心臟功能，如血管化,機械負荷和電信號傳播。如果成功，該技術將為生物人工器官移植以及其他醫(yī)學干預和治療提供潛力。藍移/報告005藍移/報告005-多細胞生物的預測性基因工程（高影響，高不確定性，在10-20年內成熟）。盡管在細菌和哺乳動物細胞水平上取得了進展，但編程高等生物是非常復雜的，例如，需要基因編輯級聯的傳遞或整個胚胎的工程。盡管存在潛在的倫理問題，但改變蠕蟲等動物生理學的能力將在農業(yè)，生物醫(yī)學和環(huán)境領域打開可能性和應用。-基于DNA的數據存儲（高影響，中等不確定性，在10-20年內成熟）。低寫入/讀取速度和每個字節(jié)存儲的高成本是基于DNA的數據存儲技術的關鍵挑戰(zhàn)。當前的研究包括使用DNA納米結構（與DNA序列相反）以及納米材料和生物分子的組合。研究有可能提供高容量，長壽命和較低的能量存儲，以滿足快速增長的數據存儲需求。工具和技術開發(fā)人員工具和技術開發(fā)可以根據設計-構建-分析-啟用工作流進行有效分類，本質上是一個通用的開發(fā)引擎，對所有SynBio都至關重要圖12提供了目前正在使用或正在開發(fā)中的主要工具和技術的總結，分為四個類別：1.Design-幫助建模和模擬生物系統2.Build-協助構建生物系統3.分析-幫助測試和評估生物系統4.啟用-加快工程過程，重要的是，實現從實驗室到工業(yè)生產水平的擴展建模、模擬和設計生物系統的工具：–生物計算機輔助設計建模、模擬和設計生物系統的工具：–生物計算機輔助設計（BioCAD）軟件，用于可視化復雜系統–基因和蛋白質設計能夠合理設計具有所需功能的生物分子的工具–仿真工具通過數學模型和算法預測生物系統行為–AI和ML平臺實現新穎和優(yōu)化的合成生物學設計–定制DNA序列的制造，實施合成生物學設計的第一步–DNA和基因遞送系統啟用創(chuàng)建新的自定義函數&–基因組工程工具通過修改現有基因組來實現設計–發(fā)酵技術生產生物藥物、化學品、燃料和其他產品(而不是大規(guī)模推動者)加速合成生物學創(chuàng)新和工業(yè)擴展的工具：–加速合成生物學創(chuàng)新和工業(yè)擴展的工具：–自動化工程實現可擴展、可重復、快速和精確的合成生物學工作流程–基于云的工具啟用遠程實驗、設計和執(zhí)行–微流體實現對小規(guī)模生化反應和實驗小型化的精確控制–大規(guī)模發(fā)酵實現高效生產的技術（例如，無細胞，建模和監(jiān)控工具）–NGS確保正確的DNA和基因組組裝–質譜識別和定量特定的蛋白質或代謝物–高含量表型成像實時監(jiān)測工程細胞的生長和形態(tài)–流式細胞術評估合成CART細胞設計的功效（例如，用于治療癌癥)來源：ArthurD.Little藍移藍移/報告005盡管存在差異，但工作流程類似于常規(guī)的非生物技術開發(fā)（設計，構建,測試，制造）中使用的工作流程。例如，某些SynBio流程的相對不可預測性以及擴展的挑戰(zhàn)意味著用于分析和啟用的工具可能更加關鍵。工具和技術成熟度工具具有不同的成熟度級別：-設計-通常是最不成熟的（見圖13）。而核心基因和蛋白質的設計和模擬工具已經達到了很高的水平隨著成熟的關鍵參與者的成熟，人工智能和數字技術的全部力量仍未開發(fā)，將難以滿足對成熟解決方案的需求。-構建-通常更成熟(見圖14)。從頭DNA合成和DNA/基因等核心技術遞送系統已經在很大程度上商業(yè)化,而基因組工程工具(例如CRISPR)仍在成熟,但具有很高的破壞潛力,正處于更廣泛采用的風口浪尖.-分析-通常是最成熟的（見圖15）。在一些大型公司（例如Illumina和ThermoFisher）的主導下，對下一代測序（NGS）的需求不斷增長，有助于推動采用，市場繼續(xù)快速增長。Design備注相對成熟的市場與幾家公司提供基因和蛋白質設計工具各種應用(例如，個人/家庭護理，材料，食品成分開發(fā)研究正在進行中，以更好地闡明（例如，基于其序列的蛋白質功能）相對成熟，有幾個成熟的球員,但有仍在進行中創(chuàng)新與整合與其他技術，如AI/ML，特別是在了解細胞水平市場是相對較新雖然像TeselaGen和Asimov這樣的公司使用人工智能平臺，技術仍在發(fā)展;Google/DeepMind正在研究醫(yī)療保健和生命科學中的AI用例（例如，蛋白質折疊)AI/ML平臺預測生物系統行為（例如，新引入的基因/蛋白質對細胞的影響）通過數學模型和算法;啟用在硅設計迭代,減少對昂貴的依賴&耗時的濕實驗室實驗；模擬基因表達、蛋白質相互作用和代謝途徑，指導實驗設計利用大量的生物數據建立新的和改進的模型，加快新型合成生物學系統的設計；自動化和數據驅動的迭代設計和學習方法實現更快、更精確的設計流程復雜的合成系統&可能更廣泛地跨越合成生物學（例如，通過AI/ML代替實驗可以處理復雜的數據集，發(fā)現隱藏的模式并生成新的假設技術基因和蛋白質設計工具生物系統仿真工具Limited理解序列-功能關系和蛋白質折疊動力學使功能設計復雜化；缺乏用于集成的標準化工具實驗數據和計算模型，以提高設計的準確性開發(fā)標準化仿真平臺或格式數據交換和協作在研究人員中；納入生物數據的標準化工具也缺乏模擬模型技術能力仍在不斷涌現，有助于有限的可訪問性和標準化；獲得高質量和多樣化生物數據和理解是有限的，使得訓練AI/ML模型變得困難；基于AI/ML的設計方法的可靠性和魯棒性無法確保跨不同應用程序啟用通過采用計算算法進行合理設計用于序列優(yōu)化，蛋白質建模和結構預測;使研究人員能夠修改遺傳序列和蛋白質結構以增強所需功能DescriptionTRL9TRL95成熟度挑戰(zhàn)TRL=技術準備水平來源：ArthurD.Little藍移/報告005成熟度挑戰(zhàn)備注技術Description產生足夠數量的確定的DNA序列進行研究和工程;然后將使用NGS等方法對新DNA進行測序，以確保產生正確的DNA;能力和進步不僅合成和組裝DNA從頭但也要序列結果至關重要；DNA藍移/報告005成熟度挑戰(zhàn)備注技術Description產生足夠數量的確定的DNA序列進行研究和工程;然后將使用NGS等方法對新DNA進行測序，以確保產生正確的DNA;能力和進步不僅合成和組裝DNA從頭但也要序列結果至關重要；DNA將被用來生產蛋白質，這將反過來執(zhí)行所需的功能Methodsto將合成DNA轉移到靶細胞中，創(chuàng)建具有自定義功能和屬性的新生物系統;高效和準確的交付合成DNA對于誘導特定蛋白質的產生，執(zhí)行新功能和創(chuàng)造具有理想性狀的新生物體至關重要;幾種交貨方式存在，包括病毒載體（例如,使用病毒DNA作為合成DNA的載體）非病毒方法（例如，使用脂質體作為載體)和物理方法快速發(fā)展的市場，估值為被用來引入遺傳密碼的改變（例如，添加、刪除、修改基因）以及調節(jié)基因表達創(chuàng)建自定義功能;例子包括基因編輯工具，如CRISPR-Cas，TALENs,鋅指核酸酶和轉座子技術，用于靶向基因整合微生物發(fā)酵技術市場預計會增長&復雜的蛋白質，如胰島素或抗體;隨著ATMP的進步，這也可以包括生產mRNA或細胞作為產品;構建工具范圍從細胞和細胞表達系統的操作到培養(yǎng)基開發(fā)和工程TRL9TALENs=轉錄激活因子樣效應核酸酶；ATMPs=高級治療藥物；CHO=中國倉鼠卵巢；CRO=合同資源組織；CDMOs=合同開發(fā)和制造組織來源：ArthurD.LittleDescription精確合成DNA分子隨著長度的快速減少，需要昂貴的&耗時的裝配過程；限制制造能力具有特異性的DNA特征（例如，重復序列）定制的制造DNA序列雖然從頭合成和組裝已經可能幾十年來，技術是仍在發(fā)展；在過去十年中，成本降低了10倍；產能增加到來自<100bp的>1MbpDNA&NGS等創(chuàng)新解決方案已被廣泛采用;DNA合成市場價值約為30億美元2022年，預計將以約20%的復合年增長率強勁增長（2022-2030年）取決于技術的混合成熟度；一些病毒和非病毒基因遞送系統已經使用了幾十年，許多成熟的球員，但其他人正在出現創(chuàng)新的方法;重大創(chuàng)新和研究正在進行中，由服務提供商和制藥公司推動TRL8-9免疫原性和整體安全問題，特別是病毒載體和LNP;DNA的大小和/或數量可以交付的內容因系統而異，但可能會受到限制；可瞄準性特定的細胞或組織，特別是當涉及生理障礙時DNA和基因遞送系統TRL4-9通過解決確保選擇性和安全性脫靶和離組織效應關鍵但困難；復雜的監(jiān)管和高安全要求在人類醫(yī)學和農業(yè)中使用工具；技術與開發(fā)成本高,使應用程序變得昂貴且可能無法訪問啟用精確修改遺傳信息在生物系統中；可以基因組工程工具TRL9由CRISPR-Cas9技術，政府資助和增加基因工程研究；從即將到來的初創(chuàng)企業(yè)，更大的公司也對領域表現出興趣在最古老的生物應用中；包括培養(yǎng)細胞以產生（表某些表達系統，如酵母，大腸桿菌或CHO，相對較好地理解;挑戰(zhàn)主要涉及開發(fā)更穩(wěn)定和化學確定的培養(yǎng)基，以及進一步改造細胞以提高穩(wěn)定性和生產率;較新的領域,如干細胞或無細胞生產仍處于PoC階段從2022年~320億美元至~50美元-2030年為520億美元；市場增長驅動技術進步和生物制品外包增長率制造到CRO/CDMO,以及整體藥物產量增加，微生物發(fā)酵市場需求增長發(fā)酵/細胞培養(yǎng)技術技術挑戰(zhàn)成熟度BuildBuild分析工具市場涵蓋分析工具市場涵蓋其中質譜，成像顯微鏡和流式細胞術是精選的少數，也是合成生物學的關鍵;這些能力已經建立，市場上已經存在幾個參與者還增強了分析生物數據的能力用于識別和量化特定的蛋白質或代謝物，這是指標合成系統在分子水平上的行為先進的成像技術允許監(jiān)測工程細胞的生長和形態(tài),這有助于確定給定應用的最佳條件和設計使用激光分析細胞的快速分析技術可用于評估合成（例如，CAR-T細胞）設計的功效，這是一種有前途的治療癌癥的免疫療法方法TRL9高通量分析工具生成大量的數據在生物系統上，但是有限的計算基礎設施和工具阻礙了高效的存儲、處理和分析整合數據從不同的模式（例如，基因組學，核酸分析技術高速實時PCR是一種快速，更精確的技術，可在聚合酶鏈反應（例如，用于基因表達）過程中實時定量靶基因高含量表型成像TRL9TRL9TRL9來源：ArthurD.Little藍移/藍移/報告005-啟用-變化的到期日(參見圖16)。自動化和發(fā)酵技術相當成熟和成熟,Whilecloudlabsandmicrofluidicsarelowinmaterium,withmostplayersbeingstart-ups.However,cloudlabcompaniesarecreatingstrongpartnershipwithlargeindustryplayers,indicatingthepossibilityforidealadoperationandgrowthinthewingDescriptionDescription自動化和機器人實現可擴展、可重復和快速合成生物學工作流程；自動液體處理特別是領域內的一項關鍵些機器可確保精確分配液體體積并實現全自動工作流度地提高效率通過實現遠程實驗，簡化數據管理和全球協作；科學家也釋放了從需要物理TRL4者；2022年市場價值為25-290億美元療目的，特別是診斷（例如，快速測試）,藥物開發(fā)和細胞培養(yǎng)雖然先進的基因組工程為其發(fā)展做出了貢獻，但在提高生產力或應對擴大規(guī)模挑戰(zhàn)方面仍有創(chuàng)在野外,包括大型CDMO（例如Lonza）和擴展到精密發(fā)酵的新公司（例如PerfectDay）實現具有成本效益的大規(guī)模來源：ArthurD.Little$2.9億挑戰(zhàn)技術仍然存在昂貴的,特別是與學術界相對較低的勞動力成本相比；集成新型自動化技術進入自動化技術用的產品包括生物基化學品，燃料，香料，香料,生物塑料和藥物;現在擴展到發(fā)酵，例如，哺乳動物或微生物細胞產生生物化合物，甚至細胞作為產品（例如，人造肉）;不同于小規(guī)模，PoC在實驗室生產，先進的發(fā)酵技術利用優(yōu)化生物反應器，在發(fā)酵與傳統化學合成競爭的非制藥部門或食品行業(yè)等利潤率較低的部門，主題圍繞挑戰(zhàn)也在繼續(xù)產生正確的品質；對于制藥工藝，主題集中在能夠生產更復雜的&潛在的非天然蛋白質例如，在CHO細胞中;數字孿生仍然不可行成熟度TRL9啟用小規(guī)模的精確控制(微升至皮升)生化反應適用于各種應用程序以增加的吞吐量和最小的浪費實現復雜的反應驗證設備的制造步驟&復雜制造，因為它們大規(guī)模發(fā)酵技術TRL89微流體藍移/報告005藍移/報告005Figure17showstherelativematurityofselectedtoolswithintheeachofthefourSynBioworkflowstage,basedonrankingbyourexpertsurveypanel.Technologyreadlylevels(TRL)indicateshowcloseatoolisproved,commercialadoption.市場格局SyBio的大多數知名工具和技術參與者都位于美國（每個公司的基礎上大約有一半）。其余的在歐洲和亞洲之間大致平分，世界其他地區(qū)目前幾乎沒有市場進入者。市場分為500多家SyBio初創(chuàng)公司和數量較少的成熟公司，SyBio工具和技術公司在2022年籌集了103億美元。雖然大多數頂級資金公司目前的總部都在美國，但預計以中國為首的亞洲將出現最大的增長。許多政府都有針對性地對SynBio進行投資和支持。例如，英國在十多年前啟動了SynBio計劃，而美國，中國和澳大利亞最近也做出了自己的努力。附錄1總結了四個工具和技術開發(fā)類別中選定的關鍵參與者。圖例技術成熟度的“重心” 技術期限的范圍設計、模工程師和建測試和評（分析）實現創(chuàng)新展和擴TRL1-2ResearchTRL3-4實驗室PoCTRL5-7擴展和演示TRL8-9經過驗證和商業(yè)化/建立來源：ArthurD.Little藍移藍移報告/INTERUDE#1不斷發(fā)展的美學-將藝術與科學交叉細胞的語言藍移藍移/報告005我們在SynBio中的探索試圖通過操縱基因來揭示生物中隱藏的過程。我們的目標是以人類規(guī)模的方式改變這些表達?？紤]在盤子上生長的大腸桿菌菌落。逐漸地，它傳播了，并且-隨著條件變得更加苛刻-它創(chuàng)造了分支和復雜的模式。這種現象成為靈感對于我們的工作壓力-o-stat（見本節(jié)的第一張圖片它探索了遺傳機制如何響應細胞壓力。在惡劣的條件下，細胞產生過氧化氫酶以中和有害的氧自由基。分析這種反應背后的遺傳機制使我們有可能用產生熒光蛋白的過氧化氫酶基因代替。我們的新遺傳成分嵌入遺傳回路并插入細菌中，在饑餓期間引起虹彩光的發(fā)射。使用滴注系統來調節(jié)食物釋放和螺旋。冷凝器來可視化光線變化，我們觀察到在惡劣條件下的螺旋光，隨著營養(yǎng)的變化，我們看到了緩慢的振蕩光。Stress-o-stat旨在捕捉細菌中“壓力”的詩意語言，發(fā)光講述了一個韌性和機智的故事。為了進一步擴展方法和隱喻，我們探索了如何使用固體媒體和延時攝影來完成此操作。作為壓力和信號語言的另一種游戲，KatEred（見第二張圖片）采用了產生基因的，發(fā)光的紅色熒光蛋白。隨著時間的推移，觀察生長模式,當殖民地在盤子上蔓延時，發(fā)紅的邊緣閃閃發(fā)光，有點類似于樹木的年輪,講述了時間和變化的故事。在我們的微環(huán)境中，殖民地創(chuàng)造了一個生動的斗爭視覺故事。藍移藍移/報告005SyBio可以是觀察細胞內部過程的門戶，但我們可以通過利用其他感官如嗅覺來擴展這種符號。香蕉細菌（見第三張圖片）通過顛覆我們的期望而增加了額外的扭曲。它涉及使用一種基因程序，該程序可以將酒精轉化為香蕉油，從而改變E.的典型令人討厭的氣味。大腸桿菌變成一種甜味的奇跡，讓人聯想到香蕉。它作為一種頑皮的混淆，促使我們反省我們的先入之見。但是，轉基因生物通常僅限于實驗室；在這些環(huán)境之外進行展覽涉及對健康和安全法規(guī)的冗長導航以及道德審查。通過我們的工作，我們?yōu)樵谟捌渚惩庹故巨D基因生物的第一個法律展覽鋪平了道路。這些工作使人類可以感知到不可見的過程。然而，缺乏實時互動會在我們如何體驗這些有機體和過程中造成障礙，通常需要我們添加一個像延時這樣的接口來橋接體驗。我們最初的實時實驗使用納米磁性粒子，這允許參與者使用外部磁鐵控制單個細胞。令人驚訝的是，我們發(fā)現磁性細菌是自然存在的。這些生物沿著地球磁場游動，以優(yōu)化它們在微需氧梯度中的位置。將這些細菌暴露于變化的磁場會使它們的身體重新定向，并在這樣做時散射光。在液體培養(yǎng)中，可以觀察到散射作為阻擋或傳遞光線而產生的可見微光。這種非凡的現象啟發(fā)了我們的作品《生活鏡子》(見第四張圖片)。作為鏡子，它借鑒了水作為我們原始的想法界面早于今天的基于屏幕的技術，并引用了水仙的神話，他悲慘地淹死了，同時被他的倒影迷住了-提醒我們，當我們將自己的身份擴展到虛擬時，我們如何繼續(xù)沉浸在類似的鏡子中。為了創(chuàng)建鏡子，我們使用相機捕獲一個人的圖像,將像素轉換為數值。這些數據激活了單個磁性線圈，使細菌產生數百個光脈沖，實時形成圖像。這項工作深入研究了“自我”的概念，以及我們如何主要由非人細菌細胞組成。它旨在捕捉技術和概念上的雙重性，即我們如何駕馭數字和生物對自我的感知的交集。-C-LAB，一個藝術科學集體由霍華德·博蘭德和勞拉·辛蒂創(chuàng)立，結合了生物科學的科學進步，批判性思維，以及通過實踐科學的未來可能性藍移藍移/報告005Stress-o-statstress-o-stat是一種活的藝術品，可以在視覺上捕獲細菌中的壓力作為光。該裝置結合了科學儀器，方法和美學，以產生真實的實驗裝置。SyBio傾向于將類似機器的語言假定為生物，作為可編程的東西。矛盾的是，它與數字相反；它不是機器變得像生活一樣，而是暗示生活變得像機器一樣。藍移藍移/報告005KatEred使用發(fā)光的紅色熒光蛋白并通過使用延時來探索氧化應激的生動可視化。菌落在其邊緣周圍產生發(fā)白的光芒，并隨著時間的推移產生細胞壓力的印記。紅色傾向于表示警報,并且已經在諸如警示燈的許多裝置中被用作“官方”語義。雖然這些因素在生化方面幾乎沒有作用，但它們與我們作為視覺讀者的感知有關。藍移藍移/報告005香蕉細菌是一項嗅覺工作，探索了細菌的難聞氣味與香蕉的甜味交換的悖論。這些細菌通過去除一種基因，負責細菌中常見的惡臭氣味，并添加了一種基因設計，使細菌能夠合成香蕉油。藍移藍移/報告005LivingMirror是一種生物計算成像系統，其中磁性細菌在變化的磁場下散射光。這種現象被用來創(chuàng)建一個包含細菌和單獨控制的磁性線圈的生物計算系統，以重建圖案和潛在的實時人的圖像。43藍移藍移/報告005“如果你不能計算它，你就不理解它！?——約翰·馮·諾依曼，物理學家/工程師3CHAPTERTHE應用與工業(yè)景觀藍移藍移/報告0053應用和行業(yè)格局SyBio支持許多行業(yè)的各種應用，以醫(yī)療保健和生命科學以及食品和農業(yè)為主導。應用程序景觀展示了SyBio的巨大范圍。例如,它可用于創(chuàng)建疫苗，改良作物，產生生物燃料，并實現基于DNA的數據存儲。因此,應用程序之間的成熟度水平差異很大。從早期階段到完全商業(yè)化。藍移/報告005品藍移/報告005品來源：ArthurD.Little識別SynBio機會我們的2023年全球專家調查探討了在未來五到十年內受SynBio影響最大的行業(yè)（見圖18）。約四分之一的受訪者認為醫(yī)療保健和生命科學是SynBio適用性最強的行業(yè)，其次是食品和農業(yè)（21然后是工業(yè),制造，化學和材料（18。應用程序成熟度將選定的SynBio應用程序與Gartner炒作周期進行映射，進一步證明了它們的范圍和成熟度級別的多樣性（參見圖19-醫(yī)療保健和生命科學。醫(yī)療保健的各個子行業(yè)例如，廣泛使用的單克隆抗體作為治療選擇處于生產率的峰值，而較新的治療方式如基因療法則被認為處于膨脹預期的峰值。-糧食和農業(yè)。這個行業(yè)正在接近膨脹預期的頂峰，因為它正在成熟,產品是商業(yè)可用，但市場吸收仍然相對有限。使用SynBio技術的較新技術正處于商業(yè)化的邊緣，那些解決當前食品生產可持續(xù)性挑戰(zhàn)的技術（例如，培養(yǎng)肉的細胞農業(yè)）正處于技術觸發(fā)階段。藍移/報告005期望植物性肉類替代品植物皮革替代品基因治療和細胞療法DNA數據存儲細胞農業(yè)生物電池藍移/報告005期望植物性肉類替代品植物皮革替代品基因治療和細胞療法DNA數據存儲細胞農業(yè)生物電池圖19-映射到Gartner炒作周期的選定SynBio應用程序mRNAmRNA疫苗單克隆抗體單克隆抗體新型酶、新型酶、日用化學品下一代生物燃料下一代生物燃料使用合成生物學開使用合成生物學開發(fā)的香料資料來源：亞瑟·D·利特爾，納斯達克，SynBioBeta，卡爾文·施密特合成生物學指數-工業(yè)、制造業(yè)、化學品和材料。這一細分市場正接近膨脹預期的峰值，因為許多最終用途行業(yè)對新型酶的需求持續(xù)增長。商品化學品也處于膨脹預期階段的高峰期，而行業(yè)參與者（例如，聯合利華）和SynBio公司之間的伙伴關系繼續(xù)形成。-消費品。接近啟蒙的斜坡，這一部分正在成熟，一些商業(yè)上可用產品（例如，香水，植物性皮革替代品）。隨著可持續(xù)發(fā)展處于消費者心中的最前沿，使用SynBio生產消費產品將繼續(xù)增長。-能源。該部門正處于幻滅的低谷，因為生物燃料和生物電池繼續(xù)緩慢克服經濟和技術壁壘。但是，由廢料和其他副產品生產的下一代生物燃料仍將在例如難以或不可能電氣化的重型運輸中應用，例如航空和航運。-IT和技術。在技術觸發(fā)階段之后，主要參與者開始研究SynBio的采用DNA數據存儲等工具和技術。SynBio公司和技術參與者（例如Twist和Microsoft；Illumina和Dell）之間的合作伙伴關系日益增多，這一點很明顯。高藍移/報告005藍移/報告005主要增長領域比較增長和成熟度可以表明當今每個關鍵應用部門的重要性（見圖20）。如圖20所示，醫(yī)療保健和生命科學是最成熟和最大的市場，增長率最高的市場之一。下一步是糧食和農業(yè)，盡管在低TRL的情況下，這一領域仍有廣泛的技術開發(fā)。工業(yè)/制造/化學/材料、消費品和能源也在增長，盡管商業(yè)化的障礙更高，其中IT和技術是最萌芽的。然而，如果基于DNA的存儲可以商業(yè)化，這可能會成為一個巨大的市場。本章的其余部分將深入了解這些市場中的每一個，包括潛在的應用、機遇和挑戰(zhàn)。醫(yī)療保健與生命科學SynBio在醫(yī)療保健和生命科學領域的應用動機強勁。關鍵催化劑包括：-慢性和衰弱性疾病的發(fā)病率上升(例如，癌癥）。人口老齡化和由此導致的慢性病增加了對更專業(yè)治療的需求。-轉向個性化/精準醫(yī)療。朝著更有針對性的，個性化的治療/治療的運動將增加SynBio的使用，因為它可以對生物體進行微調以執(zhí)行特定/動態(tài)功能。-目前治療的局限性。SynBio可以提高當前治療的療效和安全性，并滿足需要一種新的治療方法和機制。學食品與農業(yè)?IT&技術預測預測到2030年的增長工業(yè)、人力、化學、材料Co消費者貨物能源泡沫的大小表明相對市場尺寸表示SynBio的范圍跨部門的TRL來源：ArthurD.Little藍移藍移/報告005然而，成功將需要該部門克服四個關鍵領域的現有挑戰(zhàn)：1.條例。關于藥物開發(fā)的嚴格法規(guī)和相對未經測試的監(jiān)管環(huán)境使得該過程冗長且昂貴。2.道德限制。公眾的猶豫和關于修改基因組倫理的辯論阻礙了SynBio的擴展。3.技術能力有限（例如，數據流和計算機容量）。技術能力的限制阻礙了實現所有可能的SynBio開發(fā)的能力。4.大規(guī)模生產和制造細胞療法的復雜性。圍繞制造的復雜性細胞療法和大規(guī)模生產的局限性使從實驗室到商業(yè)規(guī)模的SynBio概念的過程變得復雜。大多數SynBio應用程序仍處于應用領域（非詳盡）組織工程SynBio可以創(chuàng)建多細胞結構用于再生醫(yī)學，藥物測試等，包括使用細胞和結構組件的組織和器官模擬形態(tài)和功能天然組織。例如，正在研究基因療法，高級生物制劑和小分子來刺激受損的心臟細胞的再生。SynBio可以用于產生可以移植的組織。例如，培養(yǎng)的表皮自體移植物被用作永久性皮膚替代品，用于治療漿液性燒傷患者。組織工程市場已經很大，并且在2022年全球150億美元到2030年復合年增長率超過15%。大多數SynBio應用仍處于基礎階段，IntegaLifeSciences和C.R.Bard（2017年被BD收購）等關鍵參與者仍主要專注于傳統技術。Organovo等初創(chuàng)公司專注于新的3D生物材料打印。醫(yī)療器械和植入物將SynBio集成到可穿戴設備中可以擴大機會用于生理狀態(tài)、疾病狀態(tài)和病原體或毒素暴露的非侵入性監(jiān)測實際上啟用生物傳感器然而，在醫(yī)療設備中長時間維持活生物體仍然是一個挑戰(zhàn)。潛在的應用例子包括用于健康監(jiān)測和控制的新型可穿戴或植入式醫(yī)療設備。為了證明這一趨勢，已經開發(fā)出具有凍干（即凍干）CRISPR傳感器的原型面罩，用于室溫下SARS-CoV-2的可穿戴無創(chuàng)檢測。藍移藍移/報告005興趣和資金的涌入導致了新興和更成熟的參與疫苗疫苗通常由病原體的滅活或弱化形式或其成分制備。SynBio通過替代技術促進更短的開發(fā)周期，例如核酸疫苗(例如mRNA)、病毒載體疫苗或重組疫苗(例如SHINGRIX)。例如，合成RNA平臺允許快速、可擴展和無細胞制造預防性和治療性疫苗。輝瑞-BioNTechCOVID-19RNA疫苗是第一個被批準用于人類的疫苗。Moderna和BioNTech是使用合成信使RNA來預防COVID-19的關鍵參與者的例子。干細胞療法干細胞作為所有特化細胞的原材料，能夠產生健康的替換受疾病影響的細胞（再生醫(yī)學）。通過以下方式實現這一變革過程遺傳重編程技術如CRISPR。例如，莖細胞可以被操縱成心肌細胞，然后將其注射到心臟病患者的心肌中。移植的細胞將有助于修復受傷的肌肉。全球干細胞治療市場估值為~100億到120億美元在2022年，預計將以10%-15%復合年增長率在接下來的10年中。興趣和資金的涌入導致了新興的參與者，例如藍鳥生物和BlueRockTherapeutics，以及更成熟的參與者，例如Mesoblast和OsirisTherapeutics，在不斷擴大的市場中共存。細胞療法SynBioenablesthedevelopmentoftherapiesbasedonbioengineeredcells.Inthesecurrentlyhighlypersonalizedtreatments,cellsarebecomethetreatmentmodal.Amongthefirsttreatmentsin這個領域是KitePharma的CAR-T細胞療法，但還有更多正在開發(fā)中的治療各種疾病和疾病。例如，CAR-T細胞已經成功治療了血液腫瘤，如大B細胞淋巴瘤,也有望為實體瘤提供新的治療干預方案。轉基因細胞療法市場預計將從2022年27億美元至323億美元2029年的復合年增長率為42%.該領域的主要參與者包括BristolMyersSquibb和Gilead等大型制藥公司，它們分別通過收購Juno/Celgene和KitePharma來擴展其細胞治療能力。但是，有一些較小的生物技術公司在早期開發(fā)階段就利用這種技術的資產，包括Allogene和Ixaka（以前的Rexgenero）?；虔煼⊿ynBio使科學家能夠通過基因組編輯（例如CRISPR）或通過載體（通常是病毒載體）引入來糾正潛在的遺傳缺陷，從而治愈疾病?；蛘?，合成寡核苷酸可用于修飾遺傳響應，RNAi是目前最突出的技術。藍移/報告005藍移/報告005現在例如，基于載體的基因療法已被批準用于血友病A和B。在這兩種情況下,病毒載體均用于遞送正確的基因，并可能通過單一治療治愈患者，盡管長期數據尚不可用。基因治療市場預計將以復合年增長率快速增長從2022年的75億美元到300億美元~20%在2030年。關鍵的成熟參與者的例子是大型制藥公司，如諾華，以及更多的利基公司，如Vertex。目前已批準的基因治療主要集中在血液系統遺傳疾病，如血友病和嚴重的鐮狀細胞性貧血,但也包括退行性遺傳性疾病。用于一些較大適應癥領域的基因療法，例如1型糖尿病，也正在開發(fā)中。生物機接口SynBio技術可以為開發(fā)提供解決方案有效的生物人機和神經機器接口。例如，已經證明閉環(huán)腦機接口（BMI）技術可以調節(jié)大鼠的感覺-情感體驗，說明BMI方法如何用于疼痛控制作為藥物的替代品。存在許多醫(yī)療保健應用，例如恢復身體功能和控制癥狀。在教育和娛樂中也有