合成生物学涵盖的代谢反应极为丰富。
合成生物学是通过工程化的思路，对生物体功能代码，如酶、合成途径及底盘细胞的代谢调控网络等进行重编以设计出带有新型 功能的生命体，并完成特定用途的一门崭新科学。合成生物学通过对生物体进行有目标地设计、改造乃至重新合成，可以实现以 合成生物为工具进行物质加工与合成的新型生产制造方式。 合成生物学按照工序可分为聚焦技术开发与生物设计的前道研发环节与聚焦工业化生产与产品落地的后道生产环节。
合成生物学采用工程设计原理和工程学的可预测性来控制复杂生物系统，形成了以“设计-构建-测试-学习”（DBTL循环）为核 心的研发模式，在过去的十多年里，DNA测序、合成、编辑技术的巨大进步推动了“设计”和“构建”阶段的发展，从而显著降 低了成本和周转时间，近几年兴起的AI则可以加速这一循环的迭代进程。
①设计：研究人员根据目标产物， 利用先验知识、经验和计算机模 型等进行合成生物学的路径设计， 包括选择底盘细胞、设计基因回 路、调控代谢通路和利用底物等； ②构建：主要利用基因合成技术、 基因编辑技术、基因扩增技术等， 构建所需的基因系统、分子表达 系统和代谢网络，最终将设计好 的合成生物学路径构建成为实现 预期目标的生物体系；③测试：对所构建的生物体系进行表型测试表征，包括基因型数据和表型数据的测定，以及目标产物的产量和质量的表征等； ④学习：利用大数据、机器学习、深度学习、人工智能等方法对测试结果进行综合评估分析和预测，用以进一步改进和优化设计；
合成生物学涵盖的代谢反应极为丰富。目前代谢数据库涵盖 14971个反应和14842个代谢物的代谢途径。 根据《生物化学地图集》预测，137416个代谢反应将发生在 生物化学空间中，大约9.2%的代谢反应已通过实验进行了描 述，而剩余的90.8%的反应有待表征。 在一个细胞里面可以有几千个反应发生，典型的在大肠杆菌 里面有2000多个已知的反应，合成生物学对这些反应进行增 添、改造甚至是引入一些自然界不存在的新反应，可以极大 的改变底盘细胞物质转化的能力，可以让它定向地转化，理 论上99.5%以上的有机化合物都可以通过生物合成的方法来 实现。
基因组工程的读-改-写：通过基因组测序获取基因组全序列（读），通过人工诱变、定点编辑研究基因组局部序列的功能与调控 （改），通过对基因组的从头设计与化学再造实现对生命性状的定制（写），是基因组研究的三个不同层面。 基因测序：指用于确定DNA分子中核苷酸或碱基的确切序列的通用实验室技术，建立基因序列是了解基因和基因组其他部分功能 的关键，测序技术从最初的Sanger测序发展到二代测序以及三代测序，人类读取基因组序列的能力得到了飞跃式的提升。 基因编辑：从ZFN、TALEN到CRISPR/Cas9，历经三代技术，其中2012年出现的CRISPR/Cas9技术使得在不同的物种里面进行 高效率的基因编辑成为可能，极大地促进了合成生物学、代谢工程和医学研究等领域的发展。 DNA合成：DNA的人工合成是合成生物学研究的底层推动技术，化学合成法是当前主流的商业化合成方法，在合成长度和合成通 量上不断取得突破，发展出柱式合成和芯片合成工艺，使寡核苷酸链合成通量可以达到百万条级，合成成本降低约3个数量级。近 年来，DNA酶促合成法日益受到关注，有望推动DNA合成技术的再次升级。
基因测序：测序成本下降速度超摩尔定律
基因测序：从一代测序到三代测序，技术迭代极大地降低了成本 和难度，提升了速度和精准度，引领着复杂基因组、大型基因组 从草图走向完成图时代。根据NHGRI数据，2001年，绘制单条 人类基因组的成本约为1亿美元，到2022年，成本已降至525美 元。在十年甚至更短的时间内，成本可能降至100美元以下。
基因编辑：CRISPR/Cas9技术对产业的意义
基因编辑：按照代际可分为4类，即锌指核酸酶（ZFN）技术、类转录激活因子核酸酶（TALEN）技术、成簇规律间隔短回文重 复（CRISPR）技术以及多重自动基因组改造（MAGE）/ 接合组装基因组改造（CAGE），其中CRISPR/Cas9技术的出现革新 了基因编辑的方法，相较以前技术具有操作难度小、编辑成本低、打靶效率高、无痕编辑等优点，在合成生物学领域被广泛应用 和研究，并由此开发和设计出了大量新的基因编辑元件、工具和基因线路。
案例：CRISPR技术在酶工程中的应用： 1）色氨酸：CRISPR引导的DNA聚合酶可用于靶 向核苷酸进行诱变，提供极高的靶向突变率并引入 一系列可能有益于酶功能的新突变，通过对于这种 氨基酸合成的新酶的工程化，实现了色氨酸产量近 40%的增加。 2）游离脂肪酸：CRISPR/Cas9被用来删除酵母中 脂肪酸生产途径中的8个基因，并最终使得游离脂 肪酸产量在几天内增加了30倍。
发酵提纯：后端产品化的重要挑战，中国具备比较优势
如何将前端经过基因工程设计出的菌株进行放大化发酵与分离提纯得到高产、高纯且品质稳定的工业品是后端产品化的重要挑 战：对于放大化发酵环节，通常会遇到两类挑战：1）大型生物反应器内的流动模式与实验室规模的生物反应器不同，如果无法 进行均匀混合，生物反应器内的进料和氧气浓度梯度会导致细胞生长减少，并导致副产物增加；2）在放大发酵过程中保持 高性能菌株的基因组稳定性，例如菌株无法耐受代谢负荷或毒性环境，则可能出现低产或无产出情况。 对于分离纯化环节，通常遇到的两类挑战有：1）技术挑战，分离纯化的技术难点在于发酵液中含有菌体、培养基、未发酵 的底物、大量无机盐、蛋白质、水等多种杂质，且多相共存，组成复杂，介质粘稠，需要合理利用各类技术（如蒸馏、离子 交换、色谱分析、膜分离、结晶沉淀等）；2）成本挑战，分离纯化的成本通常占总生产成本的20-50%，因此开发出一种经 济可行的下游工艺对产品的成功商业化至关重要，而这一方案设计离不开前端代谢工程开发与后端的发酵提纯工艺的共同配 合。
合成生物学在医疗、农业、消费以及工业生产等领域都有非常广泛应用，麦肯锡预计未来10-20年合成生物学的应用可以给全球带 来每年2-4万亿美元的直接经济影响。 在短期，根据NovaOneAdvisor的数据，合成生物学市场预计将从2023年的140.9亿美元增长到2033年的801.7亿美元，复合年增 长率（CAGR）为19%。
